El nacimiento del programa nuclear francés - el camino hacia el primer reactor

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(1)El nacimiento del programa nuclear francés: el camino hacia el primer reactor. por. Nicolás Sánchez Guerrero. Trabajo de grado presentado al departamento de física para acceder al título de físico. Director: Dr. Ramón Fayad Naffah. Universidad de los Andes Bogotá, Colombia Enero, 2004.

(2) Índice general 1. Introducción. 2. 2. Algunos antecedentes históricos. 5. 3. La construcción de la física nuclear 3.1. Los precedentes científicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. La organización de la ciencia francesa . . . . . . . . . . . . . . 3.3. La posibilidad de la fisión y la inminencia de la guerra . . . . 3.4. Los experimentos y la posibilidad de la reacción en cadena . . 3.5. Las publicaciones, los intentos de censura y el comienzo del británico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. El Collège de France 4.1. Negociaciones en procura del primer reactor . . . . 4.2. Negociaciones en el camino hacia la guerra . . . . . 4.3. La caída de Francia y la resistencia . . . . . . . . . 4.4. El nuevo rumbo de la física nuclear y la posibilidad. . . . . . . . . . de la. 9 9 10 12 14. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . programa . . . . . .. 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . bomba nuclear. 21 21 24 31 33. 5. Estados Unidos, en posesión de la fisión. 36. 6. El camino hacia el primer reactor francés 6.1. Los fines de la fisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2. El reactor propio, el plutonio propio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39 39 41. 7. Conclusión. 45. A. Algunos elementos de la fisión nuclear A.1. Los neutrones . . . . . . . . . . . . . . A.2. La estabilidad de un núcleo atómico . A.3. La escogencia del moderador y del tipo A.4. El modelo de la gota de líquido . . . .. 48 48 51 53 57. . . . . . . . . . . . . de reactor . . . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. B. La fórmula de los cuatro factores. 59. C. El reactor natural de Oklo. 62. Bibliografía. 66.

(3) §0.0. 1. Agradecimientos A mi familia por apoyarme en todo. A mi asesor, el Profesor Ramón Fayad por su colaboración y su interés desde el inicio. A los Profesores Bernardo Gómez y Mauricio Nieto por sus valiosos aportes. A la Universidad de los Andes y al Departamento de Física. Al personal de la Biblioteca Virtual por la paciencia en la consecución de los artículos. A mis amigos por soportar un semestre monotemático..

(4) Capítulo 1. Introducción Este trabajo pretende ser un estudio de un caso muy específico que formó parte del desarrollo de la física nuclear. Probablemente parte de los personajes involucrados, especialmente aquéllos en quienes se hace mayor énfasis, no haya tenido un grado de protagonismo considerablemente visible, al fin y al cabo la historia de la física no hace mayor mención de ellos, pero formaron parte importante del escenario en el cual se desarrollaron la física nuclear, la fisión, los reactores y la bomba atómica. Como podrá verse, el equipo de físicos nucleares del Collège de France jugó un papel importante en la rápida construcción de la física nuclear mundial y en parte, el relativo grado de importancia de unos y otros actores es el resultado de los mismos hechos que motivaron y fomentaron a ciertos equipos de científicos, hechos que dada la época, estuvieron definidos por la inestable política mundial de la primera mitad del siglo XX. El desarrollo tan rápido que mostró el área de física nuclear puede explicarse por las implicaciones prácticas de la fisión, evidentes desde su descubrimiento e incluso imaginadas antes de esto. En el caso de la energía nuclear es evidente el papel que juega en el ejercicio del poder y en la economía de las naciones que la poseen. De ahí viene la posibilidad de hacer un estudio interesante de su surgimiento y promoción por parte de científicos y miembros de la política desde la física y la historia, en especial durante su desarrollo en la primera mitad del siglo XX. La física nuclear aporta muy fácilmente evidencias para las relaciones existentes de hecho entre la ciencia y elementos que podrían considerarse no científicos. Existen numerosos escritos sobre estas relaciones y la posición que pretendo tomar como punto de partida es la defendida por el sociólogo francés Bruno Latour, consistente en que los aspectos sociales de la ciencia no deben considerarse factores externos [15]. Para aclarar esto puede pensarse que al estudiar el desarrollo de la fisión nuclear los elementos teóricos y técnicos constituirían factores internos y la política y la economía factores externos, pero la denotación se invertiría en un estudio político o económico que sin embargo.

(5) §1.0. 3. involucraría los mismos hechos. Buscar una clara separación entre factores internos y factores externos implicaría como mínimo asumir que el apoyo dado por los gobiernos a los distintos programas nucleares no trasciende una financiación desinteresada y que la ciencia y la tecnología se desarrollan movidas únicamente por dinámicas propias. En cambio puede verse que los objetivos, en este caso, la construcción de un reactor nuclear, se realiza por la unión de intereses, en cuanto que el reactor cumple funciones en la defensa nacional, en la economía y en la verificación experimental de la posibilidad teórica de hacer una reacción en cadena. Entendiendo de esta forma la interacción entre el científico y la sociedad, es decir, como la interacción resultante en la consolidación de resultados como la unión de distintos intereses, puede verse de qué están formados los aspectos sociales de la ciencia a los cuales se hizo mención y restar argumentos a la mala interpretación que constituye una asunción radical y alejada de la realidad, y para efectos prácticos de estudiar la historia de las ciencias, inútil, de asegurar que si la ciencia es de hecho una práctica social, sus resultados no son más que una construcción social. Latour dice al respecto [15] que el objetivo de los estudios sociales de la ciencia no es buscar una explicación social de la ciencia ni asumir de entrada que existen relaciones entre la ciencia y la sociedad, sino estudiar, si es que existen, los lazos surgidos por lo que se haya hecho o dejado de hacer en el ejercicio de la labor científica, propuesta infinitamente más simple y realizable que los esfuerzos por presentar el objeto de las investigaciones científicas como una construcción imaginaria que no corresponde con realidades. De esta forma puede verse que los elementos sociales de la ciencia están en sus mismos procedimientos y en los mecanismos por medio de los cuales se obtienen resultados. Tales mecanismos, es de esperar, se basan en la conjunción de intereses y en la necesidad que las distintas partes involucradas tienen de las otras para concluir sus propósitos. En este trabajo pueden reconocerse estos elementos con la evidencia que ofrece el auge de la física nuclear en medio de las convulsiones de la primera mitad del siglo XX. Según lo anterior se hace justificable el estudio de un tema científico desde el lado de la historia y de la física. Como idea para este trabajo tomé la sugestiva obra del sociólogo francés Bruno Latour, La esperanza de Pandora, la cual me condujo al libro de Spencer Weart, Scientists in Power y en el cual se puede encontrar una buena parte de cuanto está escrito acá. Mi intención fue, si puede decirse, recorrer una parte del escrito de Weart hacia atrás, revisando las fuentes constituidas por algunos de los primeros artículos científicos sobre la fisión nuclear. Estoy incluyendo un marco histórico para presentar la importancia en el área política de la fisión nuclear o de cualquier práctica que pudiera repercutir en la seguridad nacional y en desarrollos prácticos que soportaran los esfuerzos por establecer una potencia europea. Debe quedar claro que el equipo francés de físicos nucleares contó con un apoyo que no concordaba con la difícil situación de Francia y.

(6) §1.0. 4. puede explicarse por algunos motivos: 1) la posibilidad de asumir una posición de liderato en un área científica con enorme potencial práctico, incluyendo hacer un explosivo de enorme poder una vez finalizada la década del 30 y 2) una serie de instituciones y reformas promovidas desde el mismo gobierno por científicos involucrados desde el comienzo del siglo con los Curie. En el punto 1) se pueden incluir tanto los intereses relacionados con la teoría y su corroboración experimental, como aquéllos concernientes a los círculos de la defensa y la economía nacionales. El punto 2) permitió al gobierno y a la industria, con el fin de alcanzar objetivos propios, brindar condiciones propicias a los científicos. La unión de estos puntos lleva a la construcción tardía del primer reactor nuclear francés y al desarrollo de un fuerte programa nuclear. Francia se convirtió en una potencia nuclear que hasta la actualidad mantiene altos índices de generación de energía nuclear.1 No haré acá un tratamiento detallado de aspectos teóricos o técnicos de la fisión nuclear más allá de lo concerniente. Algunos conceptos básicos pueden encontrarse al final de este escrito a manera de apéndice. En cuanto a la parte histórica, incluí un breve marco para apoyar las décadas del 30 y el 40 y tiene como intención mostrar la condición francesa con el objetivo ya expuesto de aclarar que había motivos para fortalecer cualquier actividad que llevara a beneficios económicos y en cuestiones de seguridad. Por este trabajo circulará una gran cantidad de científicos prominentes, muestra de la intensa actividad en el área, que llevó a desarrollos paralelos motivados por fines comunes. El trabajo inicia por la mención de algunos de los experimentos previos a la fisión nuclear y finaliza con la construcción del primer reactor nuclear francés.. 1. 75 % de la energía francesa es de origen nuclear, producida en 58 reactores [25]..

(7) Capítulo 2. Algunos antecedentes históricos El fin de la primera guerra mundial en 1918 no supuso el comienzo de un periodo de calma. Para Francia, intentando establecerse como potencia europea en un mundo que hasta la Primera Guerra Mundial era eurocéntrico, el objetivo era eliminar la amenaza militar y detener la superioridad económica y demográfica alemana. Según Eric Hobsbawm, durante el siglo XIX surgió una unión inextricable entre expansión económica y expansión territorial, siendo los límites expansionistas, no sólo fronteras geográficas, sino aquéllos que marcara la capacidad de las empresas por crecer, llevando a que la victoria o derrota totales fueran los únicos resultados posibles para la Primera Guerra Mundial [12, pág. 326]. Una vez finalizada la guerra, el presidente estadounidense promovió la creación de la Sociedad de Naciones como un mecanismo para evitar que el mundo cayera de nuevo en una guerra, pero el Senado de Estados Unidos rechazó la ratificación de los términos en los cuales se había firmado la paz y Estados Unidos se excluyó, con lo cual la Sociedad perdió peso desde su inicio. Los pactos de apoyo de Gran Bretaña estaban condicionados a la aceptación de los tratados de paz por parte de Estados Unidos, motivo que llevó a Francia a sentir que poco o nada se había hecho para garantizar su seguridad frente a Alemania. Francia se mostraba como máxima interesada en que persistiera la debilidad alemana por medio del pago de cifras astronómicas que debían cubrir los costos totales de la guerra y el gobierno, compuesto tras la guerra por una coalición conservadora llamada Bloque Nacional, se vio en la necesidad de buscar nuevos aliados dentro de Europa. Esos esfuerzos definieron su política exterior en el periodo entre las dos guerras mundiales. La primera guerra mundial involucró por primera a naciones no vecinas y prácticamente a toda Europa y naciones de todos los continentes. La guerra tuvo como resultado cerca de 20 % de la población masculina en edad militar muerta y miles de inválidos, acabando con buena parte de toda una generación. En el caso británico significó que entre los 800000 muertos desapareciera la cuarta parte de los alumnos de Oxford y Cambridge.

(8) §2.0. 6. [11, pág. 34]. En el caso francés fueron 1600000 los muertos y la guerra no podujo sólo innumerables muertos e inválidos sino un panorama para la posguerra que no era atractivo para entrar en proyectos de largo plazo como las ciencias. En la Sorbona se redujo en 40 % la cantidad de estudiantes debido a muerte o invalidez, mientras que de los 161 estudiantes inscritos en la École Normale en los dos años anteriores al inicio de la guerra, 61 quedaron heridos y 81 muertos o desaparecidos [21, pág. 14]. Como consecuencia de la brutalidad de la guerra quedaron el rechazo a la guerra química y el objetivo de evitar un nuevo baño de sangre entre la población propia, definiendo probablemente la rápida rendición francesa durante la Segunda Guerra Mundial y la visión de que de ser necesario se despreciaría totalmente la vida de los ciudadanos enemigos [11, pág. 35]. El uso de gases por parte de Alemania le mostró a Francia que si no ponía a sus científicos al servicio de la guerra sería derrotada con facilidad y una semana después de que Alemania liberara cloro en las trincheras, Francia organizó una comisión compuesta por militares y científicos para desarrollar planes de defensa y sus propios gases para llevar la guerra química. Ya desde las últimas décadas del siglo XIX se había visto una creciente inversión en tecnología de guerra por parte de las potencias europeas, evidenciando que la industria pesada no era sólo de importancia económica sino política [12, pág. 315]. Para Estados Unidos y Gran Bretaña era evidente que el Tratado de Versalles iba a traer inconvenientes y que no serviría como base para una paz duradera, a pesar de lo cual Francia, condicionada por el temor ante Alemania y su grave situación económica, se mostró insistente en el cumplimiento. Los intentos por conseguir recursos para investigación científica chocaban contra la mala situación del estado, la inflación y las terribles deudas. La comunidad científica francesa, incluida dentro del grupo de empleados públicos, perdió privilegios asociados al apoyo estatal; la Facultad de Ciencias de París fue aplastada por las deudas mientras que los salarios desaparecían con la terrible inflación. La situación para los científicos parecía mejorar transitoriamente cuando en 1924 fue elegido para gobernar el Cartel de la Izquierda, un conjunto de partidos liberales, entre ellos, los Radicales de centro izquierda. El matemático Painlevé, cercano a la familia Curie, fue elegido como Presidente de la Cámara de diputados, el Primer Ministro era el literato Édouard Herriot, el matemático Emile Borel obtuvo un puesto como diputado y Léon Blum, amigo de Jean Perrin, fue elegido como director del Partido Socialista. Todos ellos hacían también parte del círculo cercano a los Curie, en el que también participaba Paul Langevin, quien más tarde influenciaría definitivamente con su visión socialista a Frédéric Joliot. Se abría así la posibilidad de que se apoyara la ciencia y ésta se acercara a la industria. El nuevo gobierno aprobó un impuesto dirigido específicamente a financiar la investigación, pero la persistente inestabilidad económica dio al traste con los esfuerzos..

(9) §2.0. 7. En octubre de 1925 se reunieron Chamberlain, Ministro de Asuntos Exteriores de Gran Bretaña y su homólogo francés Briand para tratar la problemática que suponía la relación alemana con Francia. Stresemann, Ministro alemán de Asuntos Exteriores hizo saber a los británicos que Alemania estaba dispuesta a reconocer oficial y definitivamente la frontera entre Alemania y Francia. La entrada de Alemania en la Sociedad de Naciones exigida por los franceses representaba para Stresemann la posibilidad alemana de salir progresivamente de la condición de nación excluida y por medio de los llamados Tratados de Locarno, Alemania se comprometió a respetar las fronteras con Francia y Bélgica impuestas por el Tratado de Versalles. La política exterior en manos de Stresemann parecía de esa forma tener un éxito innegable, ya que había logrado acercamientos pacíficos con las potencias occidentales y con los soviéticos. Pero la base misma del entendimiento había sido una ratificación voluntaria de partes del Tratado de Versalles, considerado internamente una humillación nacional y una cruz. Con la existencia de opiniones que propendían por un mayor endurecimiento por parte de Alemania como única manera de restablecer la potencia, los Tratados de Locarno dieron argumentos a las voces del Nacionalsocialismo. Mientras tanto, el regreso de los Conservadores al gobierno francés en 1926 había logrado estabilizar el franco y la fuerza que tomaba el Nacionalsocialismo alemán hizo recordar a los franceses que la ciencia debía trabajar en beneficio de la seguridad nacional. Parte del presupuesto francés de defensa fue destinado a la investigación. Para mantener el dinero lejos de la burocracia del Ministerio de Educación se creó la Caisse Nationale des Sciences, institución donde el presupuesto era manejado por comités principalmente en manos del círculo de los Curie y que en 1931 daría a Frèderic Joliot un puesto remunerado de investigación [21]. La difícil situación económica resultante en Francia de la crisis mundial llevó en 1932 nuevamente al Cartel de la Izquierda al poder. Perrin y otros científicos promovieron entre el nuevo gobierno mayor independencia en los presupuestos. De esa forma, en 1935, bajo la denominación CNRS, Caisse Nationale de Recherche Scientifique, se logró el manejo de fondos para investigación, pero el gobierno no sólo incumplió con los desembolsos pactados sino que redujo los puestos de investigación [21]. Los alemanes exigieron ante los intentos mundiales de desarme al comienzo de la década del 30, que el desarme condujera a una nivelación en la cantidad de armamento y que las demás naciones debían desarmarse hasta quedar en un mismo nivel con los límites impuestos a Alemania en el Tratado de Versalles. En 1932 Alemania avanzó en las peticiones, exigiendo no sólo que las naciones más militarizadas redujeran su armamento, sino que se permitiera una nivelación en armamento con Francia [13]. Para entonces la crisis económica mundial había golpeado severamente las economías y la industria de armamento era una de las pocas ramas productivas de la economía, constituyéndose en una fuente de empleo muy importante y casi única. Ese hecho hizo desaparecer todo interés por promover un.

(10) §2.0. 8. desarme masivo. Estados Unidos, Francia, Gran Bretaña e Italia aceptaron al final de 1932 que Alemania aumentara gradualmente su fortaleza en armamento en un plazo de cinco a ocho años y simultáneamente reducirían sus propios niveles. Entre 1993 y 1938, el único estado que pudo acabar el desempleo por un programa de armamento fue Alemania, mientras que en Gran Bretaña y Estados Unidos el índice se mantuvo cercano al 20 % [11, pág. 100]. Exceptuando a Gran Bretaña, los compromisos de desarme fueron incumplidos, mientras que Hitler exigía el derecho de armarse inmediatamente y ante la negativa de Francia y Gran Bretaña de aceptar esta imposición, en octubre de 1933 Alemania salió de la Sociedad de Naciones. Francia, ante el aumento de la amenaza alemana y que Gran Bretaña no parecía brindar garantías, se acercó el mismo año a la Unión Soviética para buscar apoyo en asuntos militares. La Unión Soviética había pactado en los mismos términos con Checoslovaquia, razón por la cual el pacto resultó ampliado. El objetivo francés consistía en rodear a Alemania, para lo cual se necesitaba el apoyo de Italia, con Mussolini en el poder. Como contraprestación Francia aceptó las pretensiones de Mussolini sobre Abisinia. En consecuencia, Gran Bretaña intentó promover una reacción internacional y bloquear el suministro de petróleo a Italia. Francia se mostró indecisa, pero finalmente apoyó la petición británica, aunque ésta no trascendió. El apoyo francés a los británicos significó el fin de la alianza con Italia. Alemania ofreció rápidamente su apoyo a Italia en caso de que se tomara alguna medida internacional en su contra y a cambio, Italia aseguró que no intervendría si Alemania decidía invadir a Austria si formaba parte de su región de interés y que reconocería una eventual acción alemana de renuncia a los Tratados de Locarno. En marzo de 1936 Alemania anunció que desconocería tales tratados y ocupó militarmente la región de Renania. Nuevamente fue inexistente cualquier respuesta militar, evidenciando la debilidad del gobierno francés. En las elecciones de 1936 se eligió al Frente Popular en el gobierno francés, con participación de Comunistas, Socialistas y Radicales, y con Blum, promotor de la ciencia y el socialismo como bases para el progreso como Primer Ministro, creando expectativas entre los científicos. Blum nacionalizó la industria francesa de armamento. Se conformó la Subsecretaría de estado para la investigación científica encargada inicialmente a Irène Curie, quien un año antes había ganado el premio Nobel y luego a Jean Perrin. Langevin conformó por la misma época el Comité de Intelectuales Antifascistas. Ese periodo supuso logros para los científicos directamente relacionados con la presencia de sus miembros en el gobierno y como se verá más adelante, la cercanía con los Curie y por tanto con Joliot de quienes se propusieron crear las bases para la ciencia definió un trabajo conjunto sin precedentes entre científicos, políticos y sectores industriales..

(11) Capítulo 3. La construcción de la física nuclear 3.1.. Los precedentes científicos. La década del 30 supuso un periodo inmensamente fructífero para quienes hicieron experimentos relacionados con radioactividad. La radioactividad, aunque para entonces llevaba 30 años como fenómeno observado, había despertado nuevos intereses tras el resultado experimental de Rutherford y Soddy de 1919, quienes reportaron como resultado de experimentos con una fuente de radiación α, radio C, que al ocurrir la transmutación de nitrógeno a oxígeno, la primera transmutación artificial, se liberaba energía en forma de algún tipo de radiación capaz de producir iones.1 Los usos potenciales de lo contenido en el informe despertaron inmediatamente diversas curiosidades. Una energía de ese tipo podía usarse como alternativa para el carbón y la transmutación de elementos en sí misma ya era muy atractiva, como si se tratara del sueño de un alquimista. El Laboratorio Curie en el Instituto de Radio en París había sido construido y dotado para Marie Curie y era el centro mundial para certificar la intensidad de los suministros de radio que se usaban en la medicina y la industria. Los medios para hacer investigación en física nuclear eran muy precarios. Como fuentes de radiación α, β y γ se disponía únicamente de radio y polonio en pequeñas cantidades. Basándose en la observación hecha por Walther Bothe y Herbert Becker en 1930, consistente en que si se bombardeaba una muestra de berilio con partículas α resultaba un tipo de radiación con un coeficiente de absorción en plomo de 0,3cm−1 , Irène Curie, hija de Marie Curie, y su esposo Frédéric Joliot vieron que si se hacía pasar la radiación proveniente del berilio por una pantalla de parafina, salían protones con velocidades cercanas a 3 × 109 cm/s, detectados por la ionización producida. Como la radiación del berilio no reaccionaba a campos eléctricos, supusieron que se trataba de radiación γ causando la salida de protones en un efec1. y. 214 La denominación radio C incluía tres isótopos producidos en el decaimiento del uranio: 214 83 Bi, 84 P o 14 4 17 1 La reacción que fue reportada puede escribirse como 7 N +2 He −→8 O +1 H.. 210 81 T l..

(12) §3.2. 10. to análogo al efecto Compton. Pero si se trataba de radiación γ de aproximadamente 50 × 106 eV , como habían estimado Joliot e Irène Curie, no sería suficiente la energía para transferir tanta energía cinética a un protón como para lograr la penetración en el plomo observada y la producción de cerca de 30000 iones [4]. Por consiguiente, bajo consideraciones de conservación de momento y energía, Chadwick tomó el resultado de Curie y Joliot como una evidencia de la existencia de la partícula masiva cuya existencia Rutherford había postulado una década atrás como "doblete neutral", alguna partícula que aumentara la masa del átomo sin modificar su carga [28]. En 1932, el descubrimiento del neutrón permitió hacer un buen modelo del átomo, que suponía ya un conocimiento, al menos estructural, pero firme y susceptible de especialización, de su composición, llevando a que el estudio del núcleo y de los electrones se separaran como ramas específicas.2 Irène Curie y Frèderic Joliot, quien se formó como ingeniero, se especializaron en física nuclear experimental, y la manera en la que se procedió en el programa nuclear francés estuvo dominada por acciones más cercanas a quien hace experimentos en fases incipientes, que a la reflexión del teórico. El Premio Nobel de Química que ganaron conjuntamente Joliot y Curie en 1935 fue el resultado de la radioactividad artificial, detectada por ellos en 1933. Pusieron, en un experimento que reproducía los procedimientos de Becker y Bothe, una fuente de radiación α frente a una placa de aluminio. La primera observación consistió en la salida de neutrones y positrones, comprobada con una cámara de ionización. El punto más importante estaba en que aun después de retirar la fuente de polonio se seguían emitiendo positrones, lo cual hacía sospechar que el aluminio había transmutado hacia algún elemento radioactivo. Esta suposición fue confirmada con ayuda del químico Wolfgang Gentner, quien demostró que efectivamente por unos minutos había presencia de fósforo, que después decaía.3 En otras palabras, Joliot y Curie habían hecho un material radioactivo a partir de uno no radioactivo.. 3.2.. La organización de la ciencia francesa. En 1934, Joliot se unió al partido socialista y al Comité de Intelectuales Antifascistas promovido por Langevin. El principal motivo para sus miembros era el rechazo a la persecución que se venía haciendo a los científicos judíos por parte del Nacionalsocialismo alemán. Cuando Joliot asumió el puesto como poseedor de la cátedra de química en el Collège de France, sus contactos con Jean Perrin habían conducido a un logro muy importante para la ciencia francesa, relacionado con el camino que se había adoptado 2. Ya con conocimiento del neutrón, la reacción de las partículas α con el berilio podía escribirse de 1 la siguiente forma: 94 Be +42 He −→12 6 C +0 n. La producción de radiación γ en vez de neutrones, habría llevado a obtener 13 6 C. 3 4 30 ∗ 1 30 ∗ 30 + Las reacciones que se estaban produciendo eran: 27 13 Al +2 He −→15 P +0 n; 11 P −→14 Si + β ..

(13) §3.3. 11. bajo la visión de que la ciencia y la tecnología podían dar a Francia el papel de potencia europea que perseguía. Los laboratorios paupérrimos de una década atrás habían cedido el lugar a unos laboratorios de química muy bien dotados. No sólo se habían remodelado y ampliado sino que se había hecho un ciclotrón con dinero proveniente del Frente Popular ofrecido por Perrin, que por los mecanismos habituales de consecución de fondos para trabajo científico, difícilmente se habrían conseguido. Se inició la construcción de un acelerador electrostático de partículas en la localidad francesa de Ivry y se estableció allá el Laboratorio de Síntesis Nuclear. El trabajo científico se diversificó con las nuevas instalaciones, permitiendo la consecución de diferentes fuentes de financiación, incluyendo ministerios. Los laboratorios de Joliot se afianzaban cada vez más con grupos de investigación independientes, organizados de una forma industrial y la ciencia en general se había posicionado en un lugar importante. En 1938 se formó el CNRSA, Centre National de la Recherche Scientifique Appliquée, un homólogo del CNRS dirigido a la física aplicada y encargado de manejar presupuestos de investigación en laboratorios comerciales y de universidades. Pero Francia se encontraba en una mala situación y sumida en altos costos de vida. El gobierno del Frente Popular, con Léon Blum como primer ministro, terminó fragmentándose al ofrecer inicialmente apoyo militar al Frente Popular español durante la Guerra Civil para ceder posteriormente ante presiones francesas y británicas de derecha que pretendían evitar intervenciones en España para derrotar al socialismo. Perrin, Langevin, Joliot e Irène Curie se separaron de los socialistas. En junio de 1937 cayó el gobierno y los Radicales, partido de centro, asumieron el poder. El CNRSA había sido uno de los planes tardíos del Frente Popular y rápidamente se debilitó como resultado del empeoramiento de la situación interna. Teniendo en cuenta la constante amenaza que representaba Alemania para Francia y que Hitler se mostraba cada vez más desafiante, estaba claro que Francia debía tomar acciones efectivas para garantizar su seguridad. Con los Radicales ejerciendo débilmente el poder y el socialismo terriblemente debilitado, el comunismo surgió como una alternativa para los disidentes. La renuncia del comunismo francés a llevar a cabo una revolución y la cercanía con el Frente Popular permitía establecer empatías con numerosos intelectuales franceses, entre ellos, Joliot e Irène Curie. Entre los planteamientos del partido estaba la necesidad de que a los científicos se les aseguraran las condiciones para dedicarse a la labor científica sin restricciones. De esa forma se asumiría una posición en la que el gobierno apoyaría el trabajo de los científicos como un medio para obtener resultados reales en economía y seguridad nacional..

(14) §3.3. 3.3.. 12. La posibilidad de la fisión y la inminencia de la guerra. Inmediatamente tras el anuncio de la observación de la radioactividad artificial, Enrico Fermi empezó a trabajar en esa área en Roma. Con respecto al experimento que habían hecho Joliot e Irène Curie, Fermi sugirió que podía mejorarse si en vez de usar partículas α como proyectiles se usaban neutrones. Los experimentos en esta dirección eran muy comunes. Unos años antes, el equipo de Irène Curie había estado experimentando haciendo incidir radiación sobre una muestra de torio. El análisis químico posterior había indicado que la sustancia resultante mostraba propiedades similares a las del lantano. El equipo supuso que se trataba de un isótopo pesado de actinio, vecino en la tabla periódica del torio y el cual, por encontrarse en el mismo grupo que el lantano, podía presentar propiedades químicas similares. En Berlín, en el Instituto de química Kaiser Wilhelm, Otto Hahn y Lise Meitner experimentaban irradiando elementos pesados. El objetivo era clasificar y tabular elementos o isótopos transuránicos. Con la ayuda de Fritz Strassmann elaboraron una tabla de elementos surgidos de bombardear uranio, pero la tabla despertaba sospechas por su complejidad.4 Esto llevó a que Irène Curie y Pavle Savitch, científico yugoslavo que estaba de visita en el Instituto de Radio, decidieran investigar algunas de estas sustancias, concentrándose en el isótopo que tenía la mayor actividad β. Resultó ser un isótopo que habían pasado por alto los investigadores de Berlín, con una vida media de 3,5 horas y Curie y Savitch lo clasificaron como un isótopo de torio. Como respuesta al artículo de Curie y Savitch en el que anunciaban el descubrimiento del nuevo isótopo, Hahn y Meitner sugirieron que los colegas franceses probablemente habían encontrado una sustancia ya clasificada y que tenía una vida media conocida de 2,5 horas. Curie y Savitch reafirmaron la existencia de la sustancia y aseguraron que en los procesos químicos de separación la sustancia se iba con el lantano. Como no se conocían transmutaciones tan drásticas, sugerían que podía tratarse de actinio por tener propiedades químicas similares a las del lantano, o en último caso de algún elemento nuevo. Tras repetir los experimentos vieron que la nueva sustancia definitivamente se iba con el lantano en el proceso químico de separación, pero resultaba inexplicable que a partir de uranio se llegara a un elemento con una masa atómica mucho menor. Austria había sido anexada en marzo de 1938 a la temida Alemania, que había expresado ya sus pretensiones sobre Checoslovaquia. La alerta de guerra se aligeró con el Pacto de Munich y en Francia sólo el partido comunista se opuso a la concesión a Alemania mien4. Una de tres series producidas por el bombardeo de uranio con neutrones reportadas en [18] es: U + 0 00 (β)66h (β)2,5h (β) n −→10 U −→(β)2,2 97 EkaAu?. Los índices se referían 92 95 EkaIr−→ 93 EkaRe−→ 96 EkaP t−→ respectivamente a la vida media del elemento producido y a la carga del núcleo. El prefijo eka era uno de los prefijos usados para denominar provisionalmente elementos recién descubiertos e indicaba que cierto elemento debía situarse en la tabla periódica debido a sus propiedades químicas un espacio por debajo de alguno conocido. Por ejemplo, el eka-osmio es el plutonio..

(15) §3.4. 13. tras que el socialismo demostró su debilidad con silencio. La persecución a científicos judíos llevó a Lise Meitner a huir de Alemania hacia Suecia después de haber trabajado por 30 años con Hahn, pero los experimentos en Berlín continuaron. Hahn y Strassmann reprodujeron los experimentos del equipo francés y encontraron efectivamente lantano y un elemento químicamente similar al bario. Los procesos de análisis químico no dejaban dudas, pero físicamente no había maneras de explicar una transmutación hacia elementos con tanta diferencia de masa atómica, pues sólo se conocían las emisiones de neutrones y de partículas α. Ante la imposibilidad de separar químicamente de elementos conocidos los presuntos elementos transuránicos, la única explicación según Hahn, inmensamente extraña a la luz de los resultados conocidos hasta entonces, era que dos átomos pudieran unirse para completar la masa de un átomo de uranio. Al final del año 1938 surgió la posibilidad de que el uranio se hubiera dividido en dos componentes. Meitner y Frisch explicaron poco tiempo después el proceso por mecanismos clásicos, sin considerar efectos cuánticos [17].5 La suposición de Hahn fue publicada el seis de enero de 1939, como el resultado de experimentos que indudablemente estaban produciendo elementos de masa mucho menor que la del uranio. Joliot dejó sus otras actividades para concentrarse en estudiar el nuevo fenómeno. La suposición de que el átomo de uranio pudiera dividirse en dos átomos menores conducía a la posibilidad de que la suma de los diferentes fragmentos tuviera menos neutrones que el uranio, a manera de una primera hipótesis basada en que si se asumía una división en dos átomos de la mitad de la tabla, no habría átomos cuya suma alcanzara el número total de neutrones del uranio [8]. Por tanto, un proceso tal de división de un átomo posiblemente liberaría los neutrones excedentes. Una segunda hipótesis tenía que ver directamente con la observación de Rutherford y Soddy de cerca de una década atrás, en el sentido de que durante la transmutación de un elemento se liberaba energía. Joliot intentó comprobar la segunda hipótesis buscando la forma de detectar fragmentos de la fisión del átomo a una distancia tal que no llegaran los neutrones usados para causar la fisión ni la radiación α del uranio. Aparte de la muestra de uranio y la fuente de neutrones, puso una placa que serviría para recolectar fragmentos radioactivos. Si la fisión era un proceso tan energético como se esperaba, al poner la fuente de neutrones y la muestra de uranio debían posarse fragmentos sobre la placa, lo cual efectivamente fue observado. A mediados de enero, pocos días después de que fuera publicado del artículo de Hahn y Strassmann, Bohr viajó a Estados Unidos y llevó las noticias de la fisión a la Universidad George Washington, donde se llevaba a cabo una conferencia de física teórica presidida por George Gamow y Edward Teller [29]. 5. Ver el apéndice A..

(16) §3.4. 3.4.. 14. Los experimentos y la posibilidad de la reacción en cadena. El momento era propicio para que Joliot se dedicara a investigar la fisión nuclear porque los laboratorios estaban muy bien dotados y en el Collège de France se había conformado un equipo de trabajo sólido. Joliot trabajaba directamente con dos científicos: Lew Kowarski y Hans von Halban. Kowarski, nacido en la Unión Soviética había iniciado como asistente de Joliot en 1937 y era ingeniero químico doctorado en fisicoquímica. Halban era austriaco de ascendencia judía, razón por la cual no podía trabajar en Alemania. Con un equipo de trabajo sólido que permitía pensar en que Francia pudiera mantener un puesto de privilegio en el área que se estaba abriendo, quedaba por probar la primera hipótesis, que en un proceso de fisión se liberaran neutrones. Halban siguió un método usado inicialmente por Fermi y Edoardo Amaldi en Roma y puso una fuente de neutrones de radio-berilio dentro de un tanque de agua. Al colisionar los neutrones con las moléculas de agua perderían cada vez más energía. Usando una cinta de disprosio como detector y variando las distancias entre la cinta y la fuente de neutrones podría saberse a qué distancias había una mayor actividad inducida en el disprosio. Muy cerca de la fuente, los neutrones serían demasiado rápidos y pasarían a través de los átomos de la cinta de disprosio, pero estando lejos de la fuente era poco probable que llegaran neutrones debido a una gran cantidad de colisiones. Existía por tanto una distancia en la cual se presentaría un máximo de capturas en el detector, lo cual podría representarse en una curva de distribución de densidad de neutrones.6 La idea de Halban consistió en añadir uranio en el agua para estudiar según la variación en la curva de distribución de densidad si el uranio absorbía parte de los neutrones provenientes de la fuente y también si emitía neutrones al fisionarse. El área de la gráfica de Ir2 contra r obtenida en el experimento de Halban (figura 3.1), donde r es la distancia entre la fuente de neutrones y un punto dentro del tanque e I es la densidad de neutrones en un punto a una distancia r, es proporcional a Qτ , siendo τ el tiempo medio que un neutrón puede estar en la solución antes de ser capturado y Q es el número medio de neutrones emitidos por la fuente o producidos en la solución por segundo, es decir, el número medio de neutrones presentes en el sistema por segundo. El producto Qτ indica por consiguiente el número medio de neutrones presentes en el sisR∞ tema durante un tiempo τ . Por tanto, si S es el área bajo la curva, S ∝ 0 Ir2 dr ∝ Qτ , donde r2 viene del elemento de volumen. El producto Qτ y por tanto el área se nor6. Se puede ver experimentalmente que para el disprosio la sección eficaz de captura σc sigue la ley 1/v, igual que σ para el uranio en la región de neutrones lentos, donde predomina la captura para producir fisiones. En adelante, los subíndices c, f , s y a se refieren a captura, fisión, dispersión y absorción respectivamente..

(17) §3.4. 15. Figura 3.1: Curvas de distribución de densidad de neutrones obtenidas en el Collège de France con soluciones 1.6 molares de nitrato de amonio N H4 N O3 y nitrato de uranilo U O2 (N O3 )2 respectivamente. Los contenidos de hidrógeno difieren en cerca de 2 % y no hay mucha diferencia en la captura de neutrones. La distancia entre la fuente de neutrones y algún punto dentro del tanque es r e I es la densidad de neutrones en ese punto. Puede verse que a partir de r ≈ 13cm la curva con nitrato de uranilo toma valores mayores. Tomada de [8]..

(18) §3.4. 16. malizaron para el caso en el que no se mezclaran sustancias en el agua. Si se añade una sustancia que capture fácilmente neutrones, τ disminuye, mientras que una sustancia en la cual se produzcan neutrones lleva a que Q aumente, por lo cual el producto de estas cantidades define el área de la curva. Para determinar si al introducir uranio en la solución hay producción de neutrones, la cantidad en la que aumente Q debe ser mayor a la cantidad en la que diminuya τ , con lo cual el producto Qτ y el valor de S aumentan. Era de esperar que el uranio absorbiera neutrones y por tanto redujera el área bajo la curva. Pero si en la fisión se liberaban neutrones, el área aumentaría. Se hicieron los experimentos y el área bajo la curva efectivamente se volvía menor, muestra de que el uranio capturaba neutrones. Pero lejos del pico de máxima emisión, la curva tomaba valores en la variable dependiente mayores que si no se diluía uranio, como se ve en la figura 3.1. No había manera de explicar esto si no era porque el uranio estaba liberando neutrones. En condiciones en las que no hay producción de neutrones, al introducir núcleos que capturen neutrones el cambio en la curva consiste en que cada eje se multiplica por un factor diferente. Por tanto, la multiplicación por ciertos factores lleva a recobrar la curva original. Pero en las gráficas mostradas no hay manera de hacer coincidir las ordenadas, lo cual indica que el número de neutrones no es igual para ambas sustancias. Para r < 13cm es mayor el área bajo la curva de nitrato de amonio, pero para r > 13cm decrece más despacio la densidad de neutrones en presencia de nitrato de uranilo. Ésa es una evidencia para la suposición de que el uranio no sólo captura neutrones sino que los emite al fisionarse. Por tanto, el exceso de neutrones en r > 13cm sólo podía deberse a la producción de neutrones por causa de la interacción de los neutrones primarios con el uranio. Debido a que los neutrones de la fuente tenían energías menores que 0,5M eV fue posible descartar, por ser muy baja la energía, que se tratara de una reacción tipo (n, 2n).7 La liberación de neutrones durante la fisión fue publicada en marzo de 1939 [8], apenas dos meses después de la publicación de la observación de la fisión.8 Kowarski ideó un experimento alternativo para el mismo fin. La idea consistía en rodear una fuente de neutrones de baja energía con una sustancia que contuviera uranio y sumergir todo en una solución de azufre.9 Si se detectaban neutrones rápidos, sólo podían provenir del uranio y en eso radicaba la importancia de que la fuente de neutrones tuviera baja energía. La presencia de neutrones rápidos con energías mayores que 2M eV se detectaría por medio de reacciones con el azufre, el cual debía formar un isótopo radioactivo de 7. Esto querría decir que el neutrón incidente tendría la energía suficiente para no ser capturado en el núcleo y adicionalmente sacar un neutrón del núcleo tras una o varias colisiones. 8 La fisión de un núcleo pesado como el 235 92 U puede producir básicamente cualquier par de núcleos, P1 y P2 de la parte media de la tabla periódica con números de masa A1 y A2 entre 95 y 140 y la 236 ∗ A1 liberación de un número ν0 de neutrones, es decir, 10 n +235 P1 +A2 P2 + (ν0 )10 n. 92 U −→92 U −→ 9 Una fuente de fotoneutrones de radio-berilio emite neutrones menos energéticos que una de radónberilio, siendo por consiguiente posible descartar reacciones tipo (n,2n). La denominación fotoneutrones se debe a la reacción γ +94 Be −→84 Be +10 n, en la cual el radio o el radón aportan la radiación γ..

(19) §3.4. fósforo en la reacción. 17 32 S(n, p)32 P .10. El experimento se hizo y se encontró el fósforo ra-. dioactivo que evidenciaba la liberación de neutrones de alta energía por parte del uranio, experimento que a diferencia del experimento en el cual se obtuvo la figura 3.1 permitía estimar las energías de los neutrones producidos en la fisión. Quedaba así comprobada la primera hipótesis y la liberación de neutrones ampliaba aun más el campo de la física nuclear. Si un bombardeo con neutrones conducía a liberar más neutrones podían crearse reacciones en cadena que llevaran a liberar grandes cantidades de energía. Esto movió los esfuerzos de todos los grupos científicos y desde un comienzo fue evidente que un posible uso era buscar desarrollar un dispositivo que liberara la energía de forma muy rápida, es decir, explosivamente. En mayo de 1939 Francis Perrin se encargó de redactar una solicitud secreta para la patente de la bomba nuclear de uranio. En abril el equipo del Collège de France hizo cálculos para ν, el número de neutrones producidos por fisión con base en los experimentos en el tanque de agua en los cuales se obtuvo la figura 3.1 [9]. Los resultados obtenidos eran muy satisfactorios por indicar que la probabilidad de hacer una reacción en cadena era grande. La fórmula obtenida por los franceses era ν=. ∆S Atot ∆Atot + , S Af Af. donde ∆S/S era la diferencia en las áreas bajo la curva mostrada en la figura 3.1, Af el producto de la sección eficaz de fisión σf y la concentración de uranio Cu en la solución, ∆Atot = |AtotU r − AtotAm | y Atot = Σi Ai = Σi Ci σi , haciendo la suma sobre todas las reacciones que pudieran causar absorción de neutrones. Reemplazando valores numéricos conocidos se obtuvo ν = 3,5 ± 0,7, lo cual indicaba que si por cada átomo de uranio fisionado se producían más de tres neutrones, era factible lograr un ambiente en el cual se sostuviera una cadena de fisiones. El valor tan alto de ν calculado por el equipo de Joliot fue recibido con escepticismo. Louis Turner se propuso en febrero de 1940 mostrar que no había motivos para que el valor publicado por el equipo francés arrojara un valor de ν tan alto y que no era posible producir una reacción explosiva usando agua y uranio natural. Como se verá más adelante, Turner estimó que ν = 2,6 ± 0,6, 10. Esta notación significa que en la reacción de un neutrón y el azufre se producen fósforo y un protón 1 32 ∗ 1 y es equivalente a escribir 32 16 S +0 n −→15 P +1 H..

(20) §3.5. 18. corrección que se basó en un error cometido por el equipo de Joliot, cuya expresión para ν no tenía en cuenta las reacciones en cadena que se estaban produciendo y que aumentaban el valor de Q [20 y 22, pág. 303, N25]. Por tanto, la mayor presencia de neutrones se debía a que un número mayor de átomos se estaba fisionando y no a que todos los neutrones presentes provinieran de fisiones primarias.. 3.5.. Las publicaciones, los intentos de censura y el comienzo del programa británico. Apenas un mes después de la publicación de Hahn en la que reportaba la fisión del uranio, el físico húngaro de ascendencia judía Leo Szilard escribió una carta dirigida a Joliot poniéndolo a pensar sobre la conveniencia de hacer públicos los resultados sobre liberación de neutrones y energía, debido a que una de las posibles formas de usar esa energía era construyendo armas con un gran poder de destrucción. La intención de Szilard era que los resultados estuvieran al alcance de un círculo de científicos reducido y que abarcara unos pocos países. Szilard mantenía contacto con científicos de la Universidad de Columbia, donde trabajaban Fermi y Rabi. Fermi había huido del régimen de Mussolini debido a la ascendencia judía de su esposa y Szilard, a su vez, había viajado desde Alemania a Gran Bretaña y posteriormente a Estados Unidos tras el ascenso del Nacionalsocialismo. Szilard había trabajado en Alemania con Einstein, Planck y Max von Laue y en 1934, haciendo experimentos bombardeando una muestra de indio con neutrones, había planteado la posibilidad de hacer reacciones en cadena. Rabi informó a Fermi de la iniciativa de Szilard, pero Fermi no consideró que hubiera un peligro real y continuó los experimentos sin preocuparse por secretos. Para los franceses, aceptar un pacto de silencio significaba permitir que los equipos estadounidenses tomaran la delantera; también en Berkeley se había conformado un grupo de investigación de física y radioquímica muy fuerte bajo la dirección de Ernest O. Lawrence. En general se continuó con el análisis de los fragmentos, tanto en Francia como en Estados Unidos y por parte del equipo alemán. Hahn y Strassmann continuaron sus experimentos habituales de radioquímica y en Berkeley el interés se centró en forma prioritaria en la construcción de una ciclotrón más grande que el que tenían y en problemas fundamentales de física nuclear. En Copenhague se planteó la posibilidad de hacer una reacción en cadena, pero en la primavera de 1939 era inminente la guerra, por lo cual no valía la pena comenzar proyectos ambiciosos que tuvieran que detenerse. En los Laboratorios Pupin de la Universidad de Columbia se detectaron los neutrones liberados en la fisión aproximadamente una semana después del equipo francés [2]. Los experimentos en Columbia habían confirmado que existía una velocidad en la que los neutrones usados como proyectiles tenían mayores probabilidades de causar una fisión, por lo cual había la posibilidad de.

(21) §3.5. 19. aumentar las fisiones si se regulaba la velocidad de los neutrones con alguna sustancia moderadora hasta alcanzar energías térmicas. Adicionalmente se puso en duda que fuera posible lograr una reacción divergente usando agua como moderador debido a la sección eficaz de captura del hidrógeno. El 16 de marzo de 1939, cuando los resultados sobre las observaciones de liberación de neutrones hechas en Columbia fueron enviados para ser publicados, Alemania había invadido Checoslovaquia un día antes, violando el Pacto de Munich. Al día siguiente, Fermi se reunió con miembros de la Marina de Estados Unidos y se discutió la posibilidad de desarrollar armas y sistemas de propulsión de submarinos con energía nuclear. Ante los hechos en el plano internacional, Szilard y Edward Teller convencieron a Fermi de que ordenara que no se publicaran los artículos enviados unos días atrás. Como los franceses ya habían publicado sus resultados, Fermi consideró que no había ya motivos para guardar secretos. Szilard intentó crear un pacto de silencio buscando apoyo de Victor Weisskopf, científico judío nacido en Austria. Weisskopf contactó a finales de marzo al físico británico P.M.S Blackett y el físico húngaro Eugene Wigner a Paul Dirac, con el fin de conseguir apoyo a la iniciativa en Gran Bretaña y que los artículos sólo fueran accesibles a un círculo reducido. Estas acciones se movían por el temor de que Alemania o la Unión Soviética desarrollaran armamento nuclear. Pocos días después, los británicos respondieron afirmativamente, mientras que Bohr manifestó que creía poco probable que la información pudiera mantenerse alejada de los expertos militares, pero que promovería la censura dentro del instituto en Copenhague. El 31 de marzo llegó el telegrama correspondiente a los científicos franceses. No sólo era Francia históricamente un país directamente afectado por las acciones de Alemania, sino que tanto Halban como Kowarski tenían ascendencia judía. Joliot era además un abierto antifascista, por lo cual era de esperar un apoyo en el sentido de minimizar cualquier posible amenaza por parte del enemigo, pero ni Fermi ni Bohr ni el mismo Joliot con el tan alentador valor de ν de su equipo creían que en un corto plazo pudiera usarse la fisión para hacer armas. La cuestión era que se desconocía el avance de Alemania y de la Unión Soviética en el área y nada aseguraba que la autocensura evitara la fabricación de armas. El pacto propuesto podía en consecuencia llevar a un estancamiento en las áreas de investigación por debilitar los mecanismos de comunicación sin llevar necesariamente a garantizar la seguridad de las naciones. Finalmente el equipo del Collège de France rechazó la propuesta. Inmediatamente los diferentes autores ordenaron la publicación de los trabajos, incluyendo el trabajo francés con el cálculo de ν. Las reacciones en otros países no se hicieron esperar. George P. Thomson, del Imperial College de Londres envió una advertencia al gobierno por los posibles usos en armamento y urgiendo que se apoyara el área de física nuclear experimental. Gran Bretaña estaba rezagada en el área de fisión nuclear debido.

(22) §3.5. 20. a que por la cercanía de la guerra tenía sus equipos científicos comprometidos en el desarrollo de un sistema de radares.11 La petición de Thomson al gobierno se refirió a la consecución de uranio para iniciar experimentos. Se hicieron experimentos similares a los franceses, llenando esferas metálicas con una mezcla homogénea de óxido de uranio y agua y detectando los neutrones a diferentes radios con cámaras de ionización. Se esperaba, sin éxito finalmente, que a medida que se aumentaran el tamaño de la esfera y la masa de la mezcla contenida, la densidad de neutrones aumentara constantemente. El equipo francés, alentado por su valor de ν, consideraba que era el momento de pedir ayuda para entrar a hacer experimentos de gran escala, que no sólo iban a exigir grandes sumas de dinero sino que podrían llevar a desarrollos de interés para los círculos franceses económicos y de defensa.. 11. Desde el comienzo del siglo XX los británicos, conscientes de su inferioridad en tierra frente a los alemanes, invirtieron mucho dinero en tecnología de guerra. [11, pág. 46]..

(23) Capítulo 4. El Collège de France 4.1.. Negociaciones en procura del primer reactor. En marzo de 1939 entró a trabajar Francis Perrin al Collège de France, ocupando un puesto de físico teórico en el área de física nuclear. Perrin desarrolló un modelo teórico para estudiar la fisión en experimentos consistentes en llenar esferas de cobre con una mezcla homogénea [10]. La esfera de óxido de uranio tenía la ventaja de la simetría y fue recubierta con una gruesa capa metálica para evitar la salida de neutrones. Usando un valor de ν = 3, Perrin calculó que si la esfera era recubierta, la masa de uranio natural necesaria para producir una reacción explosiva era 12 × 103 kg. Aunque las masas fueran muy grandes, el principio básico para un reactor y un arma de enorme poder parecía por tanto estar listo, aunque el problema en la práctica era que una vez iniciada una reacción de tipo explosivo, la temperatura subiría tanto que seguramente se fragmentaría la esfera de óxido de uranio, quedando pedazos separados con masas menores que la masa crítica. Hacer primero un reactor pequeño con fines de investigación parecía en los momentos de optimismo, no una limitación aceptada con resignación sino una elección. Para hacer una reacción en cadena que se sostuviera se necesitarían 5 × 103 kg. Por seguridad debía haber la posibilidad de frenar o incluso detener la cadena de fisiones. Para poder manipular la rapidez de las reacciones Halban y Felix Adler, físico teórico suizo que estaba trabajando como investigador invitado en el Collège de France pensaron en introducir o retirar según lo que se quisiera, placas de materiales que capturaran neutrones, por ejemplo placas de cadmio. A finales de abril de 1939 el equipo ya tenía un primer bosquejo para un reactor, con placas de cadmio que podrían usarse para controlar la rapidez de la reacción, protección contra la radiación saliente y agua o vapor circulantes se podría extraer el calor generado. Ya con los planes y el optimismo que había dado el cálculo de ν el equipo francés se dispuso a dedicar todos los esfuerzos a la construcción de un reactor. Para ese fin se necesitaban mucho dinero, mucho uranio e informar al gobierno porque de otra forma era imposible conseguir grandes cantidades.

(24) §4.1. 22. de uranio. Henri Laugier, director del CNRS, fue puesto al tanto del proyecto y gestionó una adición al presupuesto del Collège de France de 50000 francos, dinero que equivalía a 1000 dólares de 1939. El gobierno francés se desintegraba progresivamente debido al evidente fracaso de las políticas internacionales contra la guerra pero la administración de asuntos relacionados con ciencia seguía funcionando adecuadamente según el modelo de Jean Perrin, por lo cual el contacto con el CNRS era suficiente para el equipo de Joliot. Joliot y Halban discutieron con Laugier la posibilidad de tramitar patentes y llegaron a un acuerdo verbal que establecía que el Collège de France cedería las patentes al CNRS con la condición de que la mitad de los beneficios económicos que obtuviera el CNRS por las patentes se usara para proyectos de investigación según lo que decidiera un comité con participación de Laugier, Joliot, Kowarski y Francis Perrin. Perrin se hizo cargo de la redacción de tres patentes al comienzo del mes de mayo. Las patentes que se propusieron correspondían al reactor, al sistema para controlar la reacción y por último, a la bomba nuclear. El equipo del Collège de France tenía una ventaja en cuanto a recursos de trabajo. Joliot tenía en Irène Curie y el Instituto de Radio un contacto ya establecido con los proveedores mundiales de radio y por tanto, indirectamente con los proveedores de uranio. La compañía más grande del mundo en extracción y comercialización de uranio era la Unión Minera del Alto Katanga. Era una compañía belga dedicada a extraer cobre en el Congo, que encontró en la década del 20 enormes cantidades de uranio en Katanga. La Unión Minera proporcionaba frecuentemente radio y otros materiales al Instituto de Radio, pero también a los laboratorios de Joliot, acerca de cuyos desarrollos se mantenía al tanto. Como el Collège de France necesitaba uranio por toneladas, Joliot informó en mayo a la Unión Minera acerca de los experimentos planeados y se reunió poco después con el presidente de la compañía y el director de la división de radio. Joliot explicó que existía la posibilidad de usar la fisión nuclear para generar energía, para lo cual necesitaba saber si la compañía disponía de la cantidad de uranio que Perrin había calculado. La Unión aseguró poseer las cantidades necesarias, viendo en la utilización de uranio en experimentos científicos una manera de expandir el mercado, limitado hasta entonces a los usos en medicina. De esa forma, los requerimientos científicos encajaban perfectamente con los fines comerciales de la Unión. En una reunión llevada a cabo en mayo en la cual también participó Laugier se mencionó que los experimentos podían ser la base para construir una bomba. En el borrador del acuerdo se mencionaba que la Unión Minera tenía reservas de uranio suficientes y un equipo de trabajo calificado para construir las instalaciones que fueran necesarias, así como contactos con organizaciones internacionales, para el caso en el que fuera necesario tramitar patentes o licencias. La Unión Minera se comprometió a suministrar inicialmente 5 toneladas de óxido de uranio para el reactor experimental y si los resultados eran satisfactorios, daría 50 toneladas para.

(25) §4.1. 23. un reactor mayor. Puso además su división técnica a disposición del CNRS y cubriría costos que surgieran de hasta un millón de francos. Puede verse que no se trata de un sistema en el cual el CNRS y la Unión Minera cumplieran las funciones de soporte para las necesidades del Collège de France. Claramente, era un pacto en el cual todas las partes esperaban obtener beneficios. Para manejar los eventuales ingresos por el uso de las patentes francesas se conformaría un sindicato y la Unión Minera recibiría cerca de la mitad de tales ingresos. La otra mitad iría al CNRS y debía ser manejada de acuerdo con lo que decidiera el comité que se había pactado. El acuerdo con la Unión Minera quedó en su fase de borrador porque por tratarse de un acuerdo que involucraba a una empresa belga y a un organismo estatal francés, había asuntos legales que no fueron resueltos. Durante algunos meses se siguió tratando de resolver los obstáculos y Joliot intentó mantener vivo el arreglo como un pacto de caballeros entre el equipo de científicos y la Unión Minera. Como muestra de cumplimiento del pacto la Unión Minera envió en junio 5 toneladas de óxido de uranio, U3 O8 , y un gramo de radio al laboratorio de Joliot. El equipo del Collège de France, alentado por la serie de consecuciones que parecía que iba a permitir entrar de lleno en labores, pareció tomar la delantera en el desarrollo del área que se abría en ese momento. Las necesidades técnicas para la construcción del reactor habían sido explicadas satisfactoriamente en términos de rentabilidad que interesaron tanto a la Unión Minera como al gobierno por intermedio del CNRS y sus preocupaciones económicas y en cuestión de seguridad. Mientras tanto, en la Universidad de Princeton, Niels Bohr y John Wheeler encontraron evidencias para pensar que únicamente se fisionaba el. 235 U , 92. del cual se encuentra sólo cerca de 0.7 % en el uranio. natural. Los experimentos hechos por diferentes equipos en el mundo fueron adquiriendo características comunes y se concentraron en ver las diferentes formas en las que se fisionaba el uranio y las subsecuentes transmutaciones de los distintos isótopos. En Alemania y la Unión Soviética hubo pocas posibilidades de experimentar durante 1939 y sólo en la Universidad de Columbia, Fermi, Szilard y Herbert Anderson siguieron haciendo experimentos en el mismo sentido que el equipo del Collège de France, con el fin de hacer reacciones en cadena usando neutrones lentos. Las proporciones en las mezclas eran diferentes. Mientras que los franceses tenían un átomo de uranio por cada 70 átomos de hidrógeno, el equipo de Columbia usaba 17 átomos de hidrógeno por uno de uranio. Las observaciones de Fermi, Anderson y Szilard indicaban que había tres procesos que llevaban a la absorción de neutrones y eran la captura por resonancia por parte del uranio, mientras que en la región térmica ocurrían captura por parte del hidrógeno y captura por parte del uranio, principalmente para producir fisión.1 La importancia de buscar un equilibrio en las concentraciones de uranio e hidrógeno radicaba en que si se 1. En la región térmica σf ∼ 6σc . Ver el apéndice A..

(26) §4.2. 24. reducía la presencia del hidrógeno usado como moderador aumentaría la probabilidad de capturas por resonancia en el uranio, mientras que el hidrógeno en exceso aumentaría las capturas por parte del hidrógeno en la región térmica, precisamente en la cual los neutrones podrían fisionar el uranio. Se esperaba por tanto que al pasar de concentraciones altas a concentraciones bajas de hidrógeno se viera un aumento en la fracción entre los neutrones producidos y los absorbidos para después disminuir. Pero debido a los altos valores de σc para el uranio en la región de resonancia y para el hidrógeno en la región térmica no parecía posible lograr una reacción en cadena usando sustancias que contuvieran hidrógeno como moderador, sino alguna que tuviera un mejor comportamiento en la región térmica. Esto lo comprobó el equipo de Fermi en un momento en el que la comunicación entre los equipos de Francia, Gran Bretaña y Estados Unidos se había debilitado mucho por la cercanía de la guerra, poniendo el óxido de uranio en contenedores cilíndricos sumergidos dentro del agua usada como moderador, en vez de mezclarlos formando una pasta homogénea.2 En consecuencia debía buscarse una sustancia moderadora con sección eficaz de captura en la región térmica menor que la del hidrógeno. El grafito parecía una buena alternativa. En julio de 1939, Szilard urgió a Fermi para que se hiciera un reactor de prueba moderado con carbono [3]. Pero Fermi se dedicó a la teoría de rayos cósmicos por el resto del año y aunque Szilard intentó sin éxito realizar las pruebas por sus propios medios, hasta mediados de 1940 en Estados Unidos no hubo más avance en el estudio de la fisión. Por el mes de julio en Francia, al tiempo que en Columbia se pensaba en cambiar de moderador, Halban tenía la idea de que si se variaba la relación entre uranio y agua podía lograrse la reacción divergente. Kowarski tuvo una idea similar a la de Fermi, consistente en intercalar secciones con moderador y secciones con uranio, de tal forma que los neutrones rápidos pasaran por una región de moderación y salieran de ahí ya con energías en el rango térmico que posibilitaran la fisión en regiones vecinas que contuvieran uranio, pero desistió rápidamente de su idea porque sobrestimó la absorción de neutrones en las regiones de moderación. Sin embargo a Halban y Perrin les pareció que podía ser una buena solución y en agosto decidieron que había que hacer la prueba usando las 5 toneladas de óxido de uranio que había enviado la Unión Minera.. 4.2.. Negociaciones en el camino hacia la guerra. En agosto el comienzo de la guerra era sólo cuestión de tiempo. El equipo del Collège de France, debía actuar con rapidez si quería lograr algo y para obtener resultados, necesitaba obtener recursos. La investigación militar se había separado de los círculos 2. Ver la figura A.4..