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Proyecto P-9

Planta de producción de agua pesada en Sylacauga, Alabama. El Proyecto P-9 fue el nombre en clave dado durante la Segunda Guerra Mundial al programa de producción de agua pesada...

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Planta de producción de agua pesada en Sylacauga, Alabama.

El Proyecto P-9 fue el nombre en clave dado durante la Segunda Guerra Mundial al programa de producción de agua pesada del Proyecto Manhattan . La planta de Cominco en Trail, Columbia Británica , se modernizó para producir agua pesada. DuPont construyó tres plantas en Estados Unidos: en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . Las plantas estadounidenses operaron desde 1943 hasta 1945. La planta canadiense en Trail continuó operando hasta 1956. Se construyeron tres reactores nucleares utilizando el agua pesada producida por el Proyecto P-9: Chicago Pile 3 en Argonne , y ZEEP y NRX en los Laboratorios Chalk River en Canadá.

Orígenes

El agua pesada es una forma de agua que contiene una cantidad mayor de lo normal del isótopo de hidrógeno deuterio , también conocido como hidrógeno pesado, en lugar del isótopo común hidrógeno-1 que constituye la mayor parte del hidrógeno en el agua ordinaria. [ 1 ] El deuterio fue descubierto por Harold Urey en 1931 y posteriormente logró concentrarlo en agua. [ 2 ] Su mentor, Gilbert Newton Lewis, aisló la primera muestra de agua pesada pura mediante electrólisis en 1933. [ 3 ]

Aunque desde el principio fue una curiosidad científica, el agua pesada despertó un considerable interés en 1939 cuando Hans von Halban y Lew Kowarski sugirieron que podría usarse como moderador de neutrones en un reactor nuclear con uranio natural . Realizaron experimentos con uranio usando agua común, pero descubrieron que los átomos de hidrógeno absorbían neutrones, impidiendo así la reacción en cadena deseada. [ 4 ] Sin embargo, el agua pesada era un moderador ideal. La Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) puso a Hugh S. Taylor , un físico británico de la Universidad de Princeton, a cargo de la investigación sobre el agua pesada. Taylor y Urey comenzaron a buscar formas de producir agua pesada a escala industrial. Para su proyecto de plutonio , Arthur H. Compton solicitó 2 stone (28 lb; 13 kg) de ella. [ 5 ] El proyecto de agua pesada recibió el nombre en clave de "Proyecto P-9" en octubre de 1942. [ 6 ]  

El problema de usar agua pesada era su escasez, y los científicos no podían adquirir fácilmente las cantidades necesarias para un reactor. En la Universidad de Columbia , en Estados Unidos, Enrico Fermi y Leó Szilárd intentaron usar grafito como moderador. Esto resultó ser posible, pero el grafito debía ser muy puro, ya que las impurezas, en particular el boro , tendían a absorber neutrones. [ 4 ] El 2 de diciembre de 1942, el equipo de Fermi inició la primera reacción nuclear en cadena artificial autosostenida en un reactor experimental conocido como Chicago Pile-1 . Para el Proyecto Manhattan , este fue un paso crucial hacia la fabricación de plutonio en un reactor para su uso en una bomba atómica , pero se requerían reactores mucho más grandes para la producción en masa. [ 7 ]

Camino

Cominco había estado involucrada en la investigación del agua pesada desde 1934 y la producía en su planta de fundición Teck Cominco en Trail, Columbia Británica . El 26 de febrero de 1941, el Consejo Nacional de Investigación de Canadá preguntó sobre su capacidad para producir agua pesada. A esto le siguió una carta del 23 de julio de 1941 de Taylor que ofrecía un contrato del Comité Nacional de Investigación de Defensa (NDRC) para producir 2000 libras (910 kg) , por las cuales el NDRC estaba dispuesto a pagar $5 por libra para agua pesada de baja calidad y $10 por libra para agua pesada de alta calidad. En ese momento, se vendía hasta por $1130 por libra. [ 6 ] 

El presidente de Cominco, Selwyn G. Blaylock , se mostró cauto. Podría no haber demanda de agua pesada tras la guerra, y la patente del proceso pertenecía a Albert Edgar Knowles, por lo que se requeriría un acuerdo de reparto de beneficios. En respuesta, Taylor ofreció 20 000 dólares para modificaciones en la planta. [ 6 ] [ 8 ] El asunto quedó así hasta el 6 de diciembre de 1941, cuando Blaylock se reunió con el físico británico G. I. Higson, quien le informó de que Taylor se había desilusionado con Cominco y había decidido buscar una fuente alternativa de agua pesada. Blaylock invitó a Taylor a visitar Trail, lo que hizo del 5 al 8 de enero de 1942. Pronto llegaron a un acuerdo. Blaylock accedió a producir agua pesada en Trail y rápidamente obtuvo la aprobación del presidente del consejo de administración, Sir Edward Beatty . El contrato se firmó el 1 de agosto de 1942. [ 6 ]

A la  planta existente de $10 millones que consta de 3215 celdas que consumen 75  MW de energía hidroeléctrica, se agregaron celdas de electrólisis secundarias para aumentar la concentración de deuterio en el agua del 2,3 % al 99,8 %. Para este proceso, Taylor desarrolló un catalizador de platino sobre carbono para las tres primeras etapas, mientras que Urey desarrolló uno de níquel- cromo para la torre de la cuarta etapa. [ 9 ] Se adquirieron siete nuevas parcelas de tierra que totalizaban 0,474 acres (0,192 ha) que fueron arrendadas por el gobierno de EE. UU. La construcción fue realizada por Stone & Webster . El costo final fue de $2,8 millones. El gobierno canadiense no tuvo conocimiento oficial del proyecto hasta agosto de 1942, [ 10 ] [ 11 ] poco antes de que comenzara la construcción al mes siguiente. Se completó el 30 de junio de 1943, a un costo de $2.604.622. [ 9 ] 

La producción aumentó constantemente de 15 libras (6,8 kg) en junio de 1943 a 326 libras (148 kg) en enero de 1944, 1055 libras (479 kg) en enero de 1945 y 1305 libras (592 kg) en enero de 1946. [ 12 ] El costo operativo de la planta promedió $32 979 por mes durante el período de junio de 1943 a diciembre de 1946, [ 13 ] cuando el Proyecto Manhattan fue reemplazado por la Comisión de Energía Atómica . [ 14 ] Esto equivalía a $39 por libra. [ 13 ] La producción de agua pesada de Trail continuó hasta 1956. [ 10 ]    

sitios estadounidenses

Planta de producción de agua pesada en Sylacauga, Alabama.

El director del Proyecto Manhattan, el general de brigada Leslie R. Groves, Jr. , había reclutado en noviembre de 1942 a DuPont como contratista principal para la construcción de un complejo de producción de plutonio. [ 7 ] Aunque los diseños preferidos de DuPont para los reactores nucleares eran refrigerados por helio y utilizaban grafito como moderador, DuPont aún expresó interés en usar agua pesada como respaldo, en caso de que el diseño del reactor de grafito resultara inviable por alguna razón. Para este propósito, se estimó que se requerirían 3 toneladas cortas (2,7 t) de agua pesada por mes. Como la planta de Trail, que entonces estaba en construcción, podía producir 0,5 toneladas cortas (0,45 t) por mes, se requería mayor capacidad. [ 15 ]  

Groves autorizó a DuPont a establecer instalaciones adicionales de agua pesada en Morgantown Ordnance Works, cerca de Morgantown, Virginia Occidental ; en Wabash River Ordnance Works , cerca de Dana y Newport, Indiana ; y en Alabama Ordnance Works , cerca de Childersburg y Sylacauga, Alabama . Aunque se las conocía como Ordnance Works y se pagaban con contratos del Departamento de Artillería , fueron construidas y operadas por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos . Ubicarlas en plantas de Artillería ahorró el costo de adquirir terrenos, ya que estos ya eran propiedad del gobierno, y ya contaban con personal y servicios públicos, incluyendo equipos de generación de vapor. Las tres plantas estadounidenses utilizaban un proceso diferente al de Trail; el agua pesada se extraía por destilación, aprovechando su punto de ebullición ligeramente más alto. [ 15 ] Si bien no se consideraba un proceso eficiente, se sabía que funcionaba y se podía escalar a un proceso industrial, por lo que representaba menos riesgo que otras propuestas. [ 16 ] Se esperaba que Morgantown, Wabash y Alabama produjeran 0,4 toneladas cortas (0,36 t) , 1,2 toneladas cortas (1,1 t) y 0,8 toneladas cortas (0,73 t) respectivamente de agua pesada por mes, [ 17 ] con una concentración del 99,75%. [ 18 ]   

Morgantown

La planta Morgantown Ordnance Works (MOW) comenzó como una instalación de producción química de 826 acres (334 ha) operada por DuPont durante la Segunda Guerra Mundial, con la construcción de la instalación principal comenzando en el verano de 1940. [ 19 ] Originalmente producía amoníaco para su uso en la fabricación de explosivos, la MOW también produjo alcohol, hexamina y formaldehído antes de expandirse para producir agua pesada para su uso en el Proyecto P-9. [ 20 ] Las obras en Morgantown fueron realizadas por DuPont bajo un contrato de costo más tarifa fija , al igual que las obras en Wabash y Alabama. La construcción comenzó el 7 de enero de 1943 y se completó sustancialmente antes de la fecha programada del 1 de septiembre. Las instalaciones se pusieron progresivamente en funcionamiento entre el 29 de mayo y el 28 de agosto de 1943. El costo fue de $3,490,069. La tarifa fija de DuPont era originalmente de 154.882 dólares, pero se redujo voluntariamente a 88.588 dólares porque el costo de la construcción fue considerablemente menor que los 6.034.000 dólares estimados originalmente. [ 21 ] 

La planta de acabado electrolítico se estableció en Morgantown porque estaba bajo el control de la División de Amoníaco de DuPont. En esta planta, el producto de las plantas de destilación, que contenía aproximadamente un 90 % de agua pesada, se descomponía mediante electrólisis en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno ligero tendía a extraerse primero, dejando atrás el agua pesada. Este proceso se repetía en varias etapas para obtener un producto final con un 99,75 % de agua pesada. [ 22 ] Una vez que el agua alcanzaba una concentración del 99,75 %, el agua pesada se transportaba por ferrocarril a la Universidad de Chicago , donde se utilizaba como moderador potencial para los primeros reactores nucleares construidos en Estados Unidos. [ 20 ]

Tras el fin de la guerra, DuPont cesó sus operaciones en MOW y el terreno fue arrendado a varias compañías químicas hasta principios de la década de 1950, antes de quedar vacío hasta 1962, cuando la Asociación Comunitaria de Morgantown compró el área a la Administración de Servicios Generales de los Estados Unidos por el precio de 1,25 millones de dólares. La propiedad fue entonces transferida a la recién creada Morgantown Ordnance Works, Inc., propiedad del industrial local JW Ruby, quien comenzó a convertir el terreno en un parque industrial. [ 19 ] En 1984, se propuso formalmente que parte del terreno se añadiera a la Lista Nacional de Prioridades Superfund de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) y se añadió a la lista dos años después, en 1986. La construcción de remediación comenzó en 2001 e incluyó la consolidación de materiales contaminados en un vertedero in situ que fue cubierto con una capa multicapa. La solución también incluyó monitoreo a largo plazo y controles institucionales y se completó en 2003. [ 23 ] El 21 de agosto de 2018, la EPA eliminó las Áreas de Eliminación de Obras de Artillería de la Lista Nacional de Prioridades del Superfondo junto con otros ocho sitios. [ 24 ]

Wabash

La construcción comenzó el 23 de enero de 1943 y se completó en gran medida el 22 de octubre. Las fases de la planta de destilación P-9 entraron en funcionamiento entre el 17 de junio y el 18 de septiembre de 1943. El costo total fue de $7.493.157, incluyendo los honorarios de DuPont de $152.472, que se redujeron voluntariamente de $272.776 porque la planta se construyó por un costo considerablemente menor a los $13.665.000 asignados. [ 25 ]

Alabama

La construcción comenzó el 11 de febrero de 1943 y finalizó el 15 de noviembre. Las distintas fases de la planta de destilación P-9 entraron en funcionamiento entre el 29 de mayo y el 4 de septiembre de 1943. El coste total fue de 3.466.171 dólares, incluyendo los honorarios de DuPont de 70.368 dólares, que se redujeron voluntariamente de 184.680 dólares debido a que la planta se construyó por un coste sustancialmente inferior a los 8.285.000 dólares asignados. [ 26 ]

Producción

Pila de Chicago-3

Las tres plantas estadounidenses nunca alcanzaron la producción prevista de 2200 kg (4800 libras) al mes. Se consideraron varias sugerencias para mejorar la producción, y se implementaron las más prometedoras. La más exitosa fue la reconstrucción de las torres de la primera etapa en Morgantown para reducir las fugas, lo que resultó en una mejora considerable del rendimiento. Sin embargo, a principios de 1945, se decidió que la producción era suficiente y que el gasto de realizar estas mejoras en las demás plantas no se justificaba. [ 27 ] 

La planta de destilación P-9 en Alabama cerró en junio de 1945, la de Wabash en julio y la de Morgantown en agosto. La planta de acabado electrolítico en Morgantown cerró en septiembre. El producto intermedio restante tras el cierre de las plantas se envió a Trail. Esto resultó en una producción adicional de aproximadamente 1600 libras (730 kg) en Trail. Entre febrero de 1944 y agosto de 1945, la planta de acabado electrolítico en Morgantown, que procesaba el producto para las tres plantas, produjo un promedio de 2277 libras (1033 kg) al mes, para un total de 43 253 libras (19 619 kg) . [ 27 ]   

La planta de acabado electrolítico también procesó 3151 libras (1429 kg) de agua pesada recuperada de Alemania por la Misión Alsos del Proyecto Manhattan . [ 27 ] El costo promedio mensual de producción fue de $72 000 para Morgantown, $154 000 en Alabama y $197 400 en Wabash, para un total de $423 400. Por lo tanto, el agua pesada costó $186 por libra, sin incluir el costo de $11 967 000 de las plantas. Si se incluye este costo, costó $550 por libra, en comparación con $111 por libra en Trail. [ 28 ] 

El producto intermedio se enviaba desde Wabash y Alabama por ferrocarril en contenedores metálicos sellados. El producto terminado se enviaba por ferrocarril desde Morgantown a través del ferrocarril Monongahela y Trail a través del ferrocarril Canadian Pacific hasta el Laboratorio Metalúrgico del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago . [ 28 ] [ 29 ] El agua pesada de Trail se utilizó para el Chicago Pile 3 en Argonne , el primer reactor que utilizó agua pesada y uranio natural. Diseñado por Eugene Wigner y construido bajo la dirección de Walter Zinn , alcanzó la criticidad el 15 de mayo de 1944. Una asignación de agua pesada fue utilizada por los Laboratorios Chalk River para construir el ZEEP bajo la dirección de Kowarski, que alcanzó la criticidad en septiembre de 1945. A este le siguió su reactor NRX en 1947, que también fue moderado por agua pesada. Al igual que el CP-3 y el ZEEP, se utilizó para investigación científica y no para la producción de plutonio. [ 10 ]

La demanda de agua pesada aumentó a principios de la década de 1950. [ 16 ] La planta de agua pesada de Wabash, ahora rebautizada como Planta Dana por la Comisión de Energía Atómica, fue reabierta y DuPont reanudó la producción de agua pesada en mayo de 1952. [ 30 ] El sitio se utilizó como planta piloto para un nuevo proceso de producción que utilizaba sulfuro de hidrógeno . La planta de agua pesada fue cerrada nuevamente a principios de 1957. [ 31 ] La planta, y un complejo más grande en el Sitio de Savannah River, habían cumplido su propósito, suministrando agua pesada para los reactores de producción de plutonio en Savannah River. [ 32 ]

Notas

  1. ↑ Waltham 2002 , pág. 2.
  2. ↑ HC Urey; Ferdinand G. Brickwedde; GM Murphy (1932). "Un isótopo de hidrógeno de masa 2" . Physical Review . 39 (1): 164– 165. Bibcode : 1932PhRv...39..164U . doi : 10.1103/PhysRev.39.164 .
  3. ↑ Lewis, GN; MacDonald, RT (1933). "Concentración del isótopo H2". The Journal of Chemical Physics . 1 (6): 341. Bibcode : 1933JChPh...1..341L . doi : 10.1063/1.1749300 .
  4. 1 2 Waltham 2002 , pág. 6.
  5. ↑ Hewlett y Anderson 1962 , págs. 66–67.
  6. 1 2 3 4 Andrews, CD (otoño de 1971). "Cominco y el Proyecto Manhattan" . BC Studies (11): 51– 62. ISSN 0005-2949 . Recuperado el 21 de mayo de 2016 . 
  7. 1 2 Hewlett y Anderson 1962 , págs. 107–112.
  8. ↑ Patente estadounidense 2.044.704
  9. 1 2 Distrito de Manhattan 1947 , págs. 4.7–4.9.
  10. 1 2 3 Waltham 2002 , págs. 8–9.
  11. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 3.3–3.6.
  12. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , pág. 5.5.1.
  13. 1 2 Distrito de Manhattan 1947 , pág. 5.10.
  14. ↑ Jones 1985 , pág. 600.
  15. 1 2 Jones 1985 , págs. 107–108.
  16. 1 2 Hewlett y Duncan 1969 , págs. 428–429.
  17. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , pág. S3.
  18. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , pág. 2.13.
  19. 1 2 Core 1984 , págs. 496–497.
  20. 1 2 Distrito de Manhattan 1947 , pág. 5.32.
  21. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 4.10–4.9.
  22. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 3.18–3.21.
  23. ↑ "Áreas de eliminación de municiones de Ordnance Works en Morgantown, WV" . Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . Consultado el 1 de abril de 2020 .
  24. ↑ Seneca, Roy (23 de agosto de 2018). "La EPA elimina un sitio en Morgantown, Virginia Occidental, de la Lista Nacional de Prioridades del Superfondo" . Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Archivado del original el 2 de diciembre de 2022. Recuperado el 1 de abril de 2020 .
  25. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 4.16–4.21.
  26. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 4.22–4.24.
  27. 1 2 3 Distrito de Manhattan 1947 , págs. S17–S18.
  28. 1 2 Distrito de Manhattan 1947 , págs. S18–S20.
  29. ↑ Distrito de Manhattan 1947 , págs. 3.1, 3.12.
  30. ↑ "Informe sobre propiedades históricas: planta de municiones del ejército de Newport" (PDF) . Agosto de 1984. Archivado (PDF) del original el 29 de abril de 2011. Consultado el 1 de marzo de 2014 .
  31. ↑ JW (Bill) Morris, William P. Bebbington, Robert G. Garvin, Mal C. Schroder y WC Scotten. "Agua pesada para el emplazamiento del río Savannah" (PDF) . Ciudadanos para la Concienciación sobre la Tecnología Nuclear. Archivado del original (PDF) el 4 de marzo de 2014. Consultado el 1 de marzo de 2014 .{{cite web}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  32. ↑ "Historia atómica – Capítulo 13: Reactores, combustibles y ascenso de la energía (1955–1963)" (PDF) . Sitio web de Savannah River. Archivado (PDF) del original el 21 de noviembre de 2023. Consultado el 1 de marzo de 2014 .

Referencias

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  • Waltham, Chris (20 de junio de 2002). Una historia temprana del agua pesada . Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Columbia Británica. arXiv : physics/0206076 .