26 de septiembre de 1944, 10:48 p. m. Hanford, Washington. Dentro de una enorme estructura de concreto junto al río Columbia, estaba a punto de ocurrir algo sin precedentes. Un cubo de grafito de 28 pies de ancho, 36 pies de largo y aproximadamente 40 pies de alto estaba listo para activarse. 1,200 toneladas de grafito puro apiladas bloque por bloque, cada uno mecanizado con precisión.
Atravesando toda su profundidad había 2004 tubos de aluminio cargados con combustible de uranio. Esto no era una bomba. Era una fábrica. Una fábrica diseñada para fabricar algo que nunca había existido en cantidades medibles en la Tierra: plutonio 239. El Proyecto Manhattan tenía un diseño de bomba de uranio.
Los científicos confiaban en eso. Pero el uranio 235 era extraordinariamente raro, requería instalaciones masivas de enriquecimiento que podrían tardar años en producir suficiente material para siquiera un puñado de armas. Necesitaban una alternativa. Necesitaban plutonio. ¿El problema? En 1942, todo el suministro mundial de plutonio podía caber en la cabeza de un alfiler.
Nadie lo había fabricado jamás en cantidades visibles. Nadie sabía si realmente podía detonar en un arma, y nadie tenía idea de cómo producirlo a escala industrial. La solución exigía construir algo nunca intentado: un reactor nuclear de producción. No una pequeña “pila” experimental como la prueba exitosa de Enrico Fermi en Chicago, sino una máquina a escala industrial capaz de “criar” átomos de plutonio y, al mismo tiempo, evitar un derretimiento catastrófico.
Esta es la historia de cómo los ingenieros resolvieron un problema imposible con 1,200 toneladas de bloques de grafito, 2004 tubos de aluminio y un sistema de enfriamiento que bombeaba 75,000 galones de agua del río Columbia cada minuto. Esta es la historia del reactor B en Hanford.
Para entender por qué este cubo de grafito era necesario, hay que entender qué es realmente el plutonio y por qué era tan difícil crearlo.
El plutonio 239 no existe de manera natural en ninguna cantidad significativa. Cuando el uranio 238, el isótopo de uranio más común, absorbe un neutrón, se transforma mediante desintegración radiactiva en neptunio 237, que luego se desintegra en plutonio 239. Este proceso toma días, no los millones de años que requiere la desintegración radiactiva natural. Aquí está el desafío.
Necesitas que el uranio 238 absorba neutrones. Pero para conseguir esos neutrones, necesitas una reacción nuclear en cadena sostenida. Y mantener esa reacción, controlando la temperatura, evitando el derretimiento, y además extraer el plutonio después, requiere ingeniería a una escala nunca intentada.
El teniente coronel Matias Matias recibió sus órdenes en diciembre de 1942: encontrar un lugar para construir tres reactores nucleares enormes. Los requisitos parecían contradictorios. El sitio debía ser lo suficientemente remoto para que un posible accidente no amenazara grandes centros de población. Debía tener agua ilimitada para enfriamiento. Debía contar con electricidad confiable. Debía ser lo suficientemente plano para construir instalaciones industriales gigantes.
Y debía estar lo bastante lejos de cualquier costa donde aviones enemigos o saboteadores pudieran llegar. Matias y dos ingenieros de DuPont evaluaron sitios en Montana, Oregón, California y Washington. El 22 de diciembre de 1942, volando sobre una extensión árida de tierra junto al río Columbia en el centro-sur de Washington, Matias encontró lo que buscaba. El área estaba aislada.
Había más rodadoras que personas. El río Columbia proporcionaba agua prácticamente ilimitada. La presa Grand Coulee suministraba electricidad confiable, y la ciudad significativa más cercana, Seattle, estaba a 200 millas de distancia. El 31 de diciembre de 1942, Matias y su equipo recomendaron unánimemente el sitio de Hanford. El general Leslie Groves aprobó la selección el 7 de enero de 1943.
Pero adquirir la tierra significaba desplazar a personas que habían vivido allí por generaciones. Aproximadamente 1,500 residentes de los pueblos de Hanford y White Bluffs, junto con miembros del pueblo Wanapum y otras tribus nativas americanas, recibieron avisos de desalojo a principios de 1943. Se les dio 30 días para evacuar sus hogares y abandonar sus granjas.
El gobierno ofreció una compensación mínima y ninguna explicación de por qué se necesitaba la tierra. Para marzo de 1943, comenzó la construcción. En pocas semanas, 45,000 trabajadores de la construcción descendieron al desierto. Construyeron no solo reactores, sino todo un complejo industrial: plantas de separación química, viviendas para trabajadores, carreteras, líneas ferroviarias e infraestructura eléctrica.
Pero lo que nadie comprendía del todo aún era que diseñar y construir el reactor revelaría problemas que ningún cálculo podía predecir.
El diseño del reactor B vino del físico Eugene Wigner y un equipo de ingenieros de DuPont encabezado por Crawford Greenewalt. Esta combinación resultó esencial. Wigner aportó la experiencia en física teórica, mientras que DuPont traía décadas de experiencia construyendo instalaciones químicas industriales a gran escala.
El desafío fundamental era este: el combustible de uranio necesitaba estar lo suficientemente cerca para que los neutrones de una reacción de fisión pudieran disparar fisión en el combustible vecino, creando una reacción en cadena sostenida. Pero el combustible también debía estar lo suficientemente separado para que la reacción pudiera controlarse y moderarse.
La solución fue el cubo de grafito. El grafito, carbono puro dispuesto en forma cristalina, tenía una propiedad única descubierta en experimentos previos: ralentizaba neutrones rápidos sin absorberlos. Los neutrones lentos tenían mucha mayor probabilidad de causar fisión en uranio 235 o de ser absorbidos por uranio 238 para crear plutonio 239. El grafito actuaría como moderador, controlando la reacción mientras permitía que continuara.
El diseño requería apilar bloques de grafito para formar un cubo de aproximadamente 28 pies de ancho, 36 pies en la base y 40 pies de alto. A través de ese cubo, se perforarían 2004 orificios horizontales de adelante hacia atrás. Se insertarían tubos de aluminio por esos orificios. Dentro de los tubos, se cargarían cilindros de combustible de uranio (“slugs”) recubiertos con una camisa de aluminio.
Aproximadamente 32 cilindros por tubo. El agua del río Columbia fluiría a través de los tubos, enfriando el uranio mientras avanzaba la reacción nuclear. Eugene Wigner y el equipo del Met Lab sugirieron enfriamiento por agua y los ingenieros de DuPont coincidieron en que el agua era la mejor opción dadas todas las restricciones de ingeniería.
El sistema de enfriamiento tendría que bombear 75,000 galones por minuto a través del reactor: un consumo de agua comparable al de una ciudad de 330,000 personas.
Aquí es donde la ingeniería se volvió extraordinariamente difícil. Los bloques de grafito debían mecanizarse con tolerancias de más o menos 0.005 pulgadas, cinco milésimas de pulgada. ¿Por qué tanta precisión? Porque cualquier espacio entre bloques permitiría que se escaparan neutrones, potencialmente deteniendo la reacción en cadena.
Los bloques también tenían que ser absolutamente puros. Incluso pequeñas impurezas como el boro absorberían neutrones y “envenenarían” la reacción. Las especificaciones del grafito eran inéditas. DuPont contrató a Speer Carbon Company y National Carbon Company para producir bloques de grafito con una pureza jamás exigida a los pocos fabricantes de grafito del mundo.
El proceso de fabricación requería calentar coque de petróleo a aproximadamente 2700° C en hornos especializados, y luego mecanizar cada bloque a especificaciones exactas. Los bloques venían en dimensiones estándar de 4 y 3/16 pulgadas cuadradas por 48 pulgadas de largo, aunque se necesitaban formas especiales para acomodar los canales de tubos y los pasajes de las barras de control.
La pila requería 2,000 toneladas de bloques de grafito mecanizados y perforados para permitir la instalación de los 2004 tubos de aluminio. Cada bloque debía probarse por pureza mediante mediciones de absorción de neutrones. Los bloques que mostraban incluso una ligera absorción de neutrones eran rechazados.
El núcleo del reactor estaría rodeado por un escudo biológico: una estructura masiva de concreto de 7 pies de espesor diseñada para absorber radiación y proteger a los trabajadores. Este escudo estaría encerrado en una estructura de contención de acero que medía 46 pies por lado y 41 pies de altura.
Pero el desafío más grande aún estaba por delante: controlar una reacción en cadena que, si se dejaba sin control, se destruiría a sí misma en segundos.
Una reacción nuclear en cadena, una vez iniciada, no quiere detenerse. Los neutrones parten átomos de uranio, liberando más neutrones, que parten más átomos, liberando aún más neutrones. Sin control, la reacción se aceleraría exponencialmente hacia un derretimiento.
El sistema de control del reactor B usaba tres mecanismos diferentes, cada uno como respaldo del otro.
Primero, nueve barras de control horizontales hechas de acero con boro podían insertarse en canales perpendiculares a los tubos de combustible. El boro absorbe neutrones con enorme eficiencia. Empujas las barras y la reacción se ralentiza o se detiene. Las retiras y la reacción se acelera. Durante la operación, estas barras se colocaban para mantener tasas de reacción estables y controladas. Las barras horizontales medían aproximadamente 20 pies y se movían con accionamientos eléctricos controlados desde la sala de control central.
Los operadores podían ajustar la posición en incrementos pequeños, permitiendo un control preciso de la tasa de reacción.
Segundo, 29 barras de seguridad verticales podían caer en canales desde la parte superior del reactor. Este era el sistema de emergencia. Si algo salía mal, si la reacción comenzaba a acelerarse demasiado, los operadores podían liberar estas barras y caerían por gravedad al núcleo en 2 segundos, inundando el reactor con material absorbente de neutrones y deteniendo la reacción de inmediato.
Tercero, como respaldo final, se podía “ahogar” todo el reactor inyectando una solución de sales de cadmio en canales especiales. Esto era el último recurso absoluto, porque inundar el reactor con solución de cadmio lo “envenenaría” prácticamente de forma permanente.
La sala de control, ubicada en un edificio blindado adyacente al reactor, tenía instrumentos que serían familiares para operadores nucleares modernos. Los diales mostraban niveles de flujo de neutrones en varias posiciones del núcleo. Los medidores de temperatura seguían la temperatura del agua de enfriamiento. Registradores de gráficos documentaban continuamente la tasa de reacción, creando registros permanentes de la operación.
El sistema de enfriamiento era igual de sofisticado. El agua del río entraba al reactor por tuberías de suministro de gran diámetro. Bombas eléctricas forzaban el agua a través de colectores de distribución que alimentaban los 2004 tubos de proceso. El agua entraba a aproximadamente 20° C y salía a temperaturas cercanas a 95° C, llevándose el enorme calor generado por la fisión nuclear.
La construcción del núcleo de grafito comenzó en marzo de 1944. Los trabajadores, la mayoría sin idea de que estaban construyendo un reactor nuclear, apilaron bloques siguiendo planos precisos bajo la historia oficial de “una planta piloto para un nuevo proceso químico”.
La seguridad era intensa. Guardias armados patrullaban constantemente. Los trabajadores se separaban por tareas para que nadie entendiera el sistema completo. El trabajo avanzaba 24 horas al día. Cada capa de grafito debía ser medida y verificada antes de colocar la siguiente. Para finales de agosto de 1944, el núcleo de grafito estaba completo y se instalaron los 2004 tubos de proceso de aluminio.
El 13 de septiembre de 1944, bajo la supervisión personal de Enrico Fermi, los trabajadores comenzaron a cargar los cilindros de combustible de uranio en el reactor. Cada cilindro pesaba aproximadamente 8 libras. La carga continuó cuidadosamente durante los días siguientes.
La noche del 26 de septiembre de 1944, llegó el momento de la verdad. Presentes en el arranque estaban algunos de los científicos más distinguidos del Proyecto Manhattan: Enrico Fermi, Eugene Wigner, quien encabezaba el equipo de diseño del reactor, John Marshall del equipo de Fermi, John Wheeler y Crawford Greenewalt, director técnico de DuPont para el Proyecto Manhattan.
La secuencia de arranque comenzó con cautela alrededor de las 11 p. m. Las barras de control se retiraron lentamente del núcleo. Los detectores de neutrones registraron actividad creciente. La reacción en cadena estaba comenzando.
A las 10:48 p. m. del 26 de septiembre de 1944, el reactor B alcanzó criticidad: una reacción nuclear en cadena autosostenida. Menos de dos años después de la demostración experimental de Fermi en Chicago, un reactor a escala industrial había arrancado con éxito.
En las siguientes horas, los operadores aumentaron gradualmente la potencia retirando más las barras de control. Para la medianoche, el reactor producía varios megavatios de potencia térmica.
Todo parecía funcionar perfectamente. El núcleo de grafito mantenía su integridad estructural pese al aumento de temperatura. El sistema de agua de enfriamiento funcionaba sin fallas, bombeando 75,000 galones por minuto a través de los 2004 tubos.
Para la madrugada del 27 de septiembre, la potencia había aumentado considerablemente.
Los ingenieros estaban eufóricos.
El reactor funcionaba.
Crawford Greenewalt permaneció en la sala de control monitoreando el progreso.
Entonces ocurrió algo imposible.
La reacción comenzó a desacelerarse. Sin ningún cambio en la posición de las barras de control, los niveles de flujo de neutrones empezaron a bajar. En cuestión de horas, la reacción en cadena se detuvo por completo.
Los operadores retiraron aún más las barras de control, intentando reiniciar la reacción. Funcionó por unas horas. Luego volvió a apagarse. Algo estaba envenenando el reactor, absorbiendo neutrones y deteniendo la reacción.
Greenewalt se quedó en el reactor hasta las 2:00 de la madrugada intentando resolver el misterio.
El problema era el envenenamiento por xenón 135.
John Wheeler, un joven físico que trabajó en el diseño del reactor, había previsto esa posibilidad. Durante la fase de diseño, insistió en agregar 504 canales de tubo adicionales más allá de lo que los cálculos indicaban como necesario. Los ingenieros de DuPont cuestionaron el costo extra, pero Wheeler fue firme.
Había demasiadas incógnitas en la física nuclear y necesitaban margen de seguridad.
Ahora esa cautela resultó esencial.
Wheeler sospechó xenón 135, un producto de fisión que absorbe neutrones con enorme eficiencia. Cuando el reactor opera, produce xenón 135, pero el xenón 135 tiene una vida media de solo 9.2 horas. Wheeler teorizó que durante la operación el xenón 135 se acumula hasta un nivel de equilibrio, donde la producción iguala la desintegración.
Cuando el reactor se apaga, el xenón 135 sigue produciéndose por la desintegración de otros productos de fisión, especialmente el yodo 135, pero ya no es “quemado” por neutrones. La concentración aumenta drásticamente, envenenando el reactor.
La solución fue cargar más combustible de uranio en esos canales extra que Wheeler había exigido.
Más uranio significaba más reacciones de fisión, produciendo más neutrones: suficientes para superar la absorción del xenón 135.
En las siguientes 48 horas, los trabajadores cargaron combustible adicional. Para el 29 de septiembre, con el combustible extra, el reactor reinició y ascendió de forma constante hacia potencia plena. Para febrero de 1945, el reactor B alcanzó su potencia nominal de diseño: 250 megavatios térmicos.
Estaba produciendo cantidades significativas de plutonio 239.
Pero lo que nadie sabía aún era que la crisis del xenón revelaría algo profundo sobre la ingeniería bajo incertidumbre.
Una vez que el reactor B logró operación estable a 250 megavatios, funcionó de manera continua durante meses.
Pero criar plutonio era solo la mitad del reto. El combustible de uranio debía retirarse periódicamente y el plutonio extraerse químicamente mediante un proceso casi tan peligroso como el propio reactor.
El sistema de carga del combustible estaba diseñado para operación remota. Los trabajadores estaban sobre una plataforma en la cara frontal del reactor, protegidos por enormes escudos de agua y concreto grueso. Usando largas varas con agarraderas especiales, podían empujar cilindros nuevos de uranio dentro del frente de un tubo.
A medida que entraban nuevos cilindros, los cilindros irradiados —que habían pasado meses absorbiendo neutrones en el núcleo del reactor— eran empujados hacia afuera por la parte trasera, cayendo en un canal lleno de agua de 40 pies de profundidad.
Estos cilindros irradiados eran intensamente radiactivos. Una exposición directa entregaría una dosis letal en segundos.
Los cilindros permanecían bajo el agua en canales de enfriamiento durante varias semanas mientras decaía la radioactividad más intensa y de vida corta. Después del enfriamiento, se cargaban en contenedores fuertemente blindados y se transportaban a instalaciones de separación química a varias millas de distancia: plantas masivas con designaciones T Plant y B Plant.
Ahí, mediante uno de los procesos químicos más complejos jamás intentados a escala industrial, el plutonio se separaba químicamente del uranio y de los productos de fisión.
El proceso de separación disolvía el combustible en ácido nítrico hirviendo y luego usaba una serie de pasos de extracción química para aislar el plutonio. Toda la operación debía realizarse de forma remota, usando manipuladores robóticos observados a través de ventanas de vidrio plomado, porque entrar en las celdas de procesamiento sería inmediatamente fatal.
Para febrero de 1945, solo cinco meses después de alcanzar potencia plena, el reactor B y sus dos reactores hermanos, el reactor D y el reactor F —que arrancaron el 17 de diciembre de 1944 y el 15 de febrero de 1945, respectivamente— estaban produciendo plutonio a tasas suficientes para fabricar múltiples núcleos de bomba. Los tres reactores estaban funcionando a plena potencia de 250 megavatios para el 8 de marzo de 1945.
Para abril, cantidades de plutonio por kilogramo estaban siendo entregadas a Los Álamos, Nuevo México, donde se fabricaban en núcleos de bomba. La primera bomba de plutonio probada en el sitio Trinity el 16 de julio de 1945 contenía plutonio de Hanford.
Tres semanas después, el 9 de agosto de 1945, una segunda bomba de plutonio producida en Hanford fue detonada sobre Nagasaki, Japón. La guerra en el Pacífico terminó 6 días después.
El reactor B operó continuamente hasta 1968, produciendo plutonio durante 24 años. Durante ese tiempo, estableció principios de diseño fundamentales para todos los reactores de producción posteriores construidos por Estados Unidos, la Unión Soviética, el Reino Unido, Francia y China.
Las innovaciones de ingeniería desarrolladas en Hanford influyeron profundamente en la energía nuclear civil. El concepto de usar agua tanto como refrigerante como medio de controlar la tasa de reacción se volvió estándar en la mayoría de los reactores comerciales. Los sistemas de barras de control, mecanismos de seguridad redundantes y tecnología de manejo remoto evolucionaron a partir de los diseños originales de Hanford.
El reactor era moderado por grafito y refrigerado por agua usando un ciclo abierto directamente con el río Columbia. El flujo inicial de agua era de aproximadamente 27,000 galones por minuto, luego aumentado a 75,000 galones por minuto en operaciones a plena potencia. Los ingenieros calcularon que incluso una interrupción de 1 minuto del flujo continuo de agua causaría que el grafito se sobrecalentara de forma catastrófica.
Pero el legado del reactor B es complicado. El plutonio que produjo permitió armas nucleares que terminaron la Segunda Guerra Mundial, pero también inició la carrera armamentista de la Guerra Fría. Entre 1945 y 1968, los nueve reactores de producción de Hanford crearon plutonio para más de 60,000 armas nucleares.
Las consecuencias ambientales fueron severas. Los desechos radiactivos generados durante la producción de plutonio siguen almacenados en Hanford, representando uno de los mayores desafíos de remediación ambiental en la historia de Estados Unidos. El sitio contiene 56 millones de galones de desechos radiactivos y químicos almacenados en 177 tanques subterráneos. Los esfuerzos de limpieza comenzaron en 1989 y continúan hoy, con una remediación total del sitio proyectada hasta 2060, con un costo superior a $100 mil millones.
Hoy, el reactor B está preservado como un monumento histórico nacional y parte del Manhattan Project National Historical Park. Es el único reactor del Proyecto Manhattan accesible al público mediante visitas guiadas. El edificio del reactor está notablemente bien conservado. El núcleo de grafito permanece en su lugar, aún estructuralmente sólido tras 80 años.
La sala de control conserva sus instrumentos originales. Los diales de flujo de neutrones, registradores de temperatura, indicadores de posición de barras de control siguen como estaban cuando el reactor produjo el plutonio que cambió la historia. Un reloj en la sala de control está detenido a las 10:48 p. m.: el momento del 26 de septiembre de 1944 cuando el reactor B alcanzó criticidad como el primer reactor de producción de plutonio a escala completa del mundo.
La verdadera lección del reactor B no es sobre armas nucleares ni siquiera sobre energía nuclear. Es sobre ingeniería bajo restricciones imposibles con conocimiento incompleto. Un equipo de físicos e ingenieros, trabajando con entendimiento limitado de la física nuclear, construyó una máquina que nunca había existido. Usaron materiales fabricados con una pureza sin precedentes, operaron a escalas nunca intentadas y resolvieron problemas que no podían predecir de antemano.
Tuvieron éxito porque construyeron redundancia. La insistencia de John Wheeler en 504 canales de combustible extra salvó todo el proyecto cuando apareció el envenenamiento por xenón. Sin ese margen de diseño, el reactor B habría sido un fracaso de $150 millones, incapaz de superar la absorción de neutrones del xenón 135.
Tuvieron éxito porque combinaron comprensión teórica con experiencia práctica de ingeniería. Eugene Wigner aportó la física. Crawford Greenewalt y el equipo de DuPont aportaron el conocimiento industrial. Ninguno de los dos grupos, por sí solo, habría logrado el éxito.
Tuvieron éxito porque reconocieron la incertidumbre y planearon para desafíos desconocidos. El diseño incluyó márgenes de seguridad mucho más allá de lo que los cálculos sugerían como necesario. Múltiples sistemas redundantes de seguridad protegían contra fallas. Las estructuras de contención estaban masivamente sobredimensionadas. Cada una de estas precauciones resultó necesaria cuando surgieron problemas inesperados.
El cubo de grafito de 1,200 toneladas representó más que un reactor nuclear. Representó un enfoque fundamentalmente nuevo de ingeniería.
Diseñar sistemas para fabricar materiales que no existían de forma natural. Controlar procesos que nunca se habían controlado. Y resolver problemas que nunca se habían encontrado.
Los cilindros de uranio que entraban al reactor B eran esencialmente metal refinado. Los átomos de plutonio 239 que salían no habían existido en cantidades medibles en los 4 mil millones de años de historia de la Tierra.
El reactor no solo procesó material. Transformó la materia a nivel atómico, creando nuevos elementos mediante manipulación cuidadosa de reacciones nucleares.
Toda tecnología nuclear moderna —desde la producción de isótopos médicos hasta plantas de energía nuclear y generadores termoeléctricos de radioisótopos para exploración espacial profunda— desciende directamente de los principios de ingeniería establecidos en Hanford.
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La próxima semana, examinaremos otra maravilla de ingeniería del Proyecto Manhattan: los calutrones en Oak Ridge, Tennessee. Estas máquinas usaban poderosos electroimanes para separar isótopos de uranio átomo por átomo. Los imanes requerían tanto cobre que el ejército pidió prestadas 14,700 toneladas de plata del Tesoro de Estados Unidos para enrollar las bobinas magnéticas.
La historia incluye escasez de materiales, desafíos de estabilidad de campos magnéticos, y cómo mujeres graduadas de programas de física y química se convirtieron en las principales operadoras de estas máquinas imposiblemente complejas.
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El cubo de grafito de 1,200 toneladas del reactor B sigue hoy como un monumento a lo que es posible cuando mentes brillantes reconocen la incertidumbre, incorporan márgenes de seguridad y combinan conocimiento teórico con habilidad práctica de ingeniería.
Gracias por ver. Nos vemos la próxima semana.