HISTORIA DE LA ENERGÍA NUCLEAR

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA

IES Cristóbal de Monroy

Primera referencia de átomo

El filósofo griego Demócrito de Abdera fue el primero de la historia en dar una definición de átomo: la parte más pequeña constituyente de La materia. Esto fue en el siglo V a. de C. Átomo proviene del griego y significa “no-divisible”.

Aunque más tarde, con la fisión nuclear, se consigue dividir átomos con el objetivo de obtener energía.

1789 Descubrimiento del Uranio

Klaproth descubre el uranio, el más pesado de los elementos naturales el mismo año que William Herchel descubre Urano y estalla la Revolución Francesa.El uranio natural está formado por tres tipos de isótopos: U-238 99,284 %, U-235 0,711% que es el fisionable , y U-234 0,0085%. La relación uranio-238/uranio-235 es de 140 a 1 y es constante en la corteza terrestre.

Átomos con igual cantidad de protones, pero diferente cantidad de neutrones, se llaman isotopos.

Del átomo a la tabla periódica

En 1803, John Dalton afirma que la materia está formada por átomos y que los átomos de un mismo elemento eran idénticos.

A partir de aquí el trabajo de los científicos se centra en identificar todos los elementos y clasificarlos. Entre Lothar Meyer, Dimitri Mendeleivev y Moseley se llegó a la Tabla Periódica actual.

1897 El electrón (ámbar)

En el modelo propuesto por J.J. Thomson (Plum-pudding model) el átomo esta compuesto por electrones de carga negativa en un átomo de carga positiva, como las pasas en un pudín.

Thomson descubre la existencia del electrón a través del experimento del tubo de rayos catódicos.

Descubrimiento de la radiactividad

En 1896, el físico francés Antoine-H. Becquerel comprobó (por casualidad)que las sales de uranio, emitían radiaciones penetrantes de origen desconocido. Este fenómeno se conoce como radioactividad.

Pierre Curie y Marie Curie encontraron otros elementos de actividad más elevada que el uranio, les llamaron polonio en honor a la patria de María y radio (rayo).

1905 Corolario de la relatividad especial

La famosa fórmula de Einstein

E=mc^2Una cantidad de masa puede convertirse en energía y viceversa.Para destruir Hiroshima sólo se convirtió en energía 1 gramo de masa; su energía fue de 12,5 kilotones, lo que equivale a 12.500 toneladas de TNT. La materia usada en una bomba nuclear suele ser uranio 235 o plutonio 239 debido a su gran densidad.

Las reacciones nucleares tienen energías que son del orden de uno o más millones de veces superiores a las de las reacciones químicas debido a que los nucleones están unidos por la fuerza nuclear fuerte.

Ernest Rutherford (1871-37)

Clasificó las emisiones radiactivas:rayos alfa (partículas compuestas por 2 protones y dos neutrones que se desplazan a 0.05c, beta =electrones que se desplazan a 0.4c y gama =radiación altamente energética, sin carga.

Utilizando partículas alfa, realizó “el experimento de la lámina de oro” y descubrió que el átomo estaba formado por un núcleo muy denso unas 100000 veces menor que el átomo formado por protones y una corteza con electrones 1830 veces menores que los protones.

1932 Descubrimiento del neutrón

El descubrimiento, por James Chadwick permitió entender que el átomo de helio tiene una masa 4 veces la del hidrógeno es porque tiene dos neutrones.

1934 Los Joliot-Curie

El fósforo-30 es radiactivo, fue el primer isótopo radiactivo sintetizado en un laboratorio.

El entusiasmo de Fréderic fue tal que empezó a saltar y correr en el laboratorio diciendo: "Para el neutrón llegamos tarde, para el positrón llegamos demasiado tarde, pero para la radiactividad artificial, llegamos a tiempo."

1938 Lisa Meitner y Otto Hans

Los átomos de uranio se fragmentan en dos masas parecidas cuando se bombardean con neutrones. Posteriormente, comprobaron que el proceso de fisión viene acompañado de una emisión de neutrones (2.3 en media para el uranio) y que libera una enorme cantidad de energía.Meitner ya en el exilio, interpreta los resultados llamándole al proceso FISIÓN NUCLEAR. Fue la ÚNICA persona científica no alemana que no trabajó en la bomba.

Reacciones nucleares de fisión

nKrBaUnU 10

9236

14156

23692

10

23592 3*

EL DEFECTO DE MASA Dm PRODUCE UN DESPRENDIMIENTO DE ENERGÍA POR NÚCLEO DE URANIO.

DE = O,1565739 u · 931,5 MeV/u= 146 MeV = 2,33.10-11J

POR gramo DE URANIO.

DE = 5,7. 10+23 MeV/g= 5,99.10+10J/g…

unas 14 600 000 000 cal/g

Utilización del plutonioEn 1942 se conocía también el plutonio 239, un elemento sintético, descubierto hacía dos años por Glenn T. Seaborg en la Universidad de California, que era más fisible aún que el uranio 235. La producción de este plutonio 239 por captura de neutrones del abundante isótopo del uranio 238 en una pila de reacción térmica en cadena de neutrones era incluso más fácil de llevar a cabo que la separación de grandes cantidades de uranio 235.

FISIÓN NUCLEAR

REACCIÓN EN CADENA

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UNA BOMBA ATÓMICA

DETONACIÓN

OBTENCIÓN DE LA MASA CRÍTRICA DE MATERIAL FISIBLE

MASA MÍNIMA DE MATERIAL FISIBLE NECESARIA PARA QUE

TENGA LUGAR LA REACCIÓN EN CADENA

LITTLE BOY: U-235

FAT MAN: Pu-239

ACTIVACIÓN DEL INICIADOR DE NEUTRONES

Po-210 Y BE SEPARADOS POR UNA DELGADA BARRERA

Po-210 emite partículas α. Be interactúa con las partículas

α, dando como resultado la emisión de neutrones

LITTLE BOY

ENSAMBLE TIPO CAÑÓN: UNA PIEZA DE URANIO FISIBLE ES DISPARADA HACIA UN BLANCO DE URANIO FISIBLE EN EL OTRO EXTREMO DEL

ARMA, DE FORMA SIMILAR A DISPARAR UNA BALA POR UN CAÑÓN, LOGRANDO UNA MASA CRÍTICA CUANDO SE COMBINAN.

FAT MAN

IMPLOSIÓN: UNA MASA FISIBLE DE CUALQUIER MATERIAL (U-235, PU-239 O UNA COMBINACIÓN) ES RODEADA POR

ALTOS EXPLOSIVOS QUE AL EXPLOTAR COMPRIMEN LA MASA, RESULTANDO EN UNA MASA CRÍTICA.

1939 Visita de Heisenberg a Copennague

Heisenberg realiza una visita privada a Bohr que lo encoleriza y actúa alertando a Einstein, Fermi y Szilard, de que Heisemberg ayudaría a Hitler a fabricar la bomba. Estos científicos convencieron a los gobiernos de la necesidad “defensiva” de dotarse de armas atómicas. (El tiempo nos ha dicho que si alguna vez Alemania intentó fabricar una bomba, nunca lo consiguió). Entre los científicos que salen con Bohr de Gran Bretaña para EEUU va el espía Klaus Fuchs.

1939 Einstein advierte a Roosevelt Eduard Teller, Leó Szilárd y Eugene Wigner persuadieron a Einstein, para que advirtiera a Roosevelt del peligro.

Einstein firma la carta que Szilard escribe a Roosevelt (2 de agosto de 1939) señalando las inmensas posibilidades de la investigación atómica con el uranio:

Después de la carta no lo tuvieron en cuenta para participar en los experimentos para el desarrollo de la bomba de fisión en Los Alamos.

Hacia 1940 arranca el proyecto Manhattan.

Documento: "Carta de Einstein al presidente Roosevelt"F.D. Roosvelt. Presidente de los Estados Unidos. Casa Blanca, Washington D.C.Señor: Recientemente ha llegado a mi conocimiento la versión manuscrita de algunos trabajos de E. Fermi y L. Szilard que hacen concebir la esperanza de que el elemento Uranio pueda ser convertido en una nueva e importante fuente de energía en un futuro inmediato. Algunos aspectos de la situación actual parecen obligar a la Administración a una gran vigilancia y, si es necesario a una rápida acción. Considero, por lo tanto, que mi deber es llamarle la atención sobre los siguientes hechos y recomendaciones.En los cuatro últimos meses, la obra de Joliot en Francia y de Fermi y Szilard en los Estados Unidos ha demostrado la posibilidad - muyviable- de producir reacciones nucleares en cadena, en una gran masa de uranio; con ellas se generarían grandes cantidades de energía y de nuevos elementos radiactivos. Parece seguro que todo ello puede conseguirse en un futuro inmediato.Este nuevo fenómeno permitiría la construcción de bombas y es concebible - aunque no tan seguro- que podrían construirse bombas extremadamente poderosas, de un nuevo tipo. Una sola de estas bombas, transportada en un barco, o lanzada en un puerto, podría destruir todo el puerto y una gran parte de sus alrededores. Puede ocurrir sin embargo, que estas bombas sean demasiado pesadas para poderlas transportar por aire.Estados Unidos dispone de minerales de uranio muy pobres y en cantidades moderadas. Hay buenos yacimientos en el Canadá y en la ex - Checoslovaquia; pero los yacimientos de uranio más importantes se encuentran en el Congo Belga.En vista de esta situación, quizá considere usted deseable establecer un contacto permanente entre la Administración y el grupo de físicos dedicados a los problemas de la reacción en cadena en los Estados Unidos. Una de las formas posibles de esta relación podría consistir en que Usted, nombrase para encargarse de ella a una persona que goce de su confianza y que pueda actuar de manera oficiosa. Su tarea comprendería los siguientes extremos:1. Relacionarse con los diversos departamentos gubernamentales, mantenerles informados de la evolución de las investigaciones y hacer recomendaciones para la acción del gobierno, con particular atención al problema de asegurar un suministro continuo de mineral de uranio a los Estados Unidos.2. Acelerar el trabajo experimental, que se realiza actualmente dentro de los límites de los presupuestos de los laboratorios universitarios; para ello habría que suministrar recursos económicos, si fuese necesario, estableciendo contacto con personas privadas deseosas de contribuir a esta causa y obteniendo quizá, la colaboración de laboratorios industriales dotados del equipo necesario.Sé que Alemania ha prohibido la venta del uranio de las minas checoslovacas, sometidas actualmente a su control. Esta medida puede explicarse, quizá, porque el hijo del secretario de Estado alemán, von Weizsäcker , trabaja en la Kaiser - Wilhelm - Gesellschaft de Berlín, donde están repitiendo actualmente algunos de los experimentos norteamericanos sobre el Uranio.Su affmo. s.s. A. Einstein(enviada el 12 de octubre de 1939)

1942 Construcción del primer reactor

El 9 de octubre de 1941, Roosevelt autorizó finalmente el desarrollo del proyecto Manhattan. A mediados de 1945, empleaba a más de 130.000 personas con un coste de 2.000 millones de dólares.Enrico Fermi construye en Chicago el primer reactor nuclear y provoca la primera reacción en cadena controlada.

Crece el proyectoLos tres principales sitios de investigación y producción:

• La instalación de producción de plutonio en Hanford Site • las instalaciones de enriquecimiento de uranio en Oak Ridge

Tennessee • y el laboratorio de investigación y diseño de armas, Los Álamos.

La prueba de TrinityEl 16 de julio de 1945, Trinity fue detonada en Álamo Gordo, Nuevo México. El dispositivo de plutonio se colocó en una torre de acero de 20 m. La detonación se demoró hasta las 05:29 esperando mejores condiciones climáticas. El estampido tardó 40 s en alcanzar a los observadores y la onda se sintió a 160 km. La nube/ hongo alcanzó 12 km. Produjo una cantidad de energía equivalente a 20.000 t de TNT.

Oppi se muestra sorprendido y culpable

Supimos que el mundo no sería el mismo. Unas pocas personas rieron, unas pocas lloraron, muchas estuvieron en silencio. Recuerdo la línea de la escritura Hindú, el Bhagavad-

Gita.

Vishnu está tratando de persuadiral Príncipe para que haga su deber y para impresionarlo toma su forma con múltiples brazos y dice, “Ahora, me he convertido en la muerte, el destructor de mundos.” Supongo que todos pensamos eso, de una u otra forma.

Bomba sobre Hiroshima de Uranio

El 6 de agosto de 1945 el B-29 Enola Gay despegaba de Tinian con una bomba de uranio de 20 kt junto con otros dos, uno para filmar. Al mando iba Paul Tibbets que lanzó la bomba sobre Hiroshima a las 08:15, tardó 53 segundos en explotar, arrasando la ciudad, con un balance de 70.000 muertos y 70.000 heridos graves.

Bomba sobre Nagasaki de plutonio

El arma fue lanzada desde el bombardero B-29 Bockscar, pilotado por el Comandante Charles Sweeney. A pesar de tener casi el doble de potencia que Little Boy l la extensión del daño fue menor debido a la topografía de Nagasaki, sin embargo se estima que 40.000 personas murieron en este ataque y otras 25.000 fueron heridas, y varios miles morirían después debido a heridas, envenenamiento y radiación residual.

¿Qué más podemos decir?

Almirante W.H.P. "Spike " Blandy , la señora Blandy y el contralmirante FJ Lowry celebran el fin de la Operación Crossroads en noviembre de 1946 en Washington, DC Esta fotografía , titulada " Atomic Age Angel Food " atrajo fuertes críticas de todo el país y de todo el mundo.

ANEXOCientíficos nucleares

De los científicos más renombrados que trabajaron en EEUU durante la guerra 10 fueron de nacionalidad húngara, polaca, italiana y alemana. Estos científicos trabajaron para crear un arma tan poderosa que ningún hombre cuerdo se planteara jamás utilizar. Por desgracia, ellos no eran los responsables de la decisión final…..

Leo Szilard

Nació en Budapest en 1898. Emigró a Alemania en 1919. Fue físico, biofísico y un científico de conciencia. En 1929, identificó el Bit de información. Entre sus ideas figuran el acelerador lineal, el ciclotrón y el microscopio electrónico. Llegó a EEUU perseguido por los nazis y realizó una serie de experimentos con Enrico Fermi, para determinar si la teoría de la fisión nuclear era correcta. Hizo grandes esfuerzos para convencer a Truman que no usara la bomba atómica, pero no fue escuchado. En una entrevista dijo, "Truman no entendió de qué se trata todo esto." Según Szilard, un científico debe ser responsable de las implicaciones tenga su trabajo.

Eugene Paul Wigner

Nació en Budapest en 1902. se doctoró en Ingeniería Química en Alemania. Además de química, estudió física y matemáticas. Emigró a Estados Unidos debido a su ascendencia judía. Desde 1942 a 1945, trabajó con Fermi en el Laboratorio Metalúrgico, tratando de determinar si era posible inducir una fisión nuclear que creara una reacción en cadena. Trabajó en el Proyecto Manhattan de la Universidad de Chicago. Ganó el Premio Nóbel en 1963.

John von Neuman

Nació en Budapest en 1903. Estudió y se graduó en Ingeniería Química en Alemania. Trabajó en Física Cuántica. Emigró a Estados Unidos e ingresó como profesor en la Universidad de Princenton junto con Einstein y Gödel. Comenzó a trabajar en el Proyecto Manhattan en 1943, donde se encargó de hacer los inmensos cálculos para construir la bomba atómica. Es considerado como uno de los más importantes matemáticos de la historia moderna.

Eduard Teller

De Hungría, estudió en Alemania. Emigró a EEUU en 1935. Acompañó a Leo Szilar a ver a Albert Einstein.Es considerado el padre de la Bomba de Hidrógeno. Acusó a Oppenheimer de comunista por negarse a participar en ese proyecto.No estaba de acuerdo en que un científico debería considerar las implicaciones morales de su trabajo.

Enrico Fermi

Nació en Roma en 1901. Se doctoró en física en Pisa. Aprovechó los neutrones emitidos en una fisión para mantener una reacción en cadena de fisiones y utilizar el proceso como fuente de energía. En Diciembre de 1942: PILE-1, el primer reactor nuclear del mundo construido por Fermi y colaboradores, entraba en operación en la universidad de Chicago. Fermi y numerosos colaboradores emprendieron una serie de experimentos para producir elementos más pesados que el uranio bombardeando éste con neutrones. Ganó el Premio Nobel en 1938.

Emilio Segrè

Nació en Roma en 1905. Intentó estudiar ingeniería pero se cambió a física y se doctoró al año siguiente. Trabajó en Hamburgo y Amsterdam y regresó a la Universidad de Roma y a Palermo. Emigró a Estados Unidos en 1938 y dirigió el Grupo Radiactivo en Los Álamos. Su descubrimiento de la fisión espontánea del plutonio lo llevó a la reorganización del laboratorio en 1944. Ganó el Premio Nobel de Física en 1959, junto con Owen Chamberlain por el Descubrimiento del Antiprotón.

Stanislaw Ulam

Nació en Polonia en1909. Se doctoró en matemáticas. Al comenzar la guerra en 1939 escapó de Polonia y encontró trabajo en la Universidad de Princeton. Fue invitado por Hans Bethe a participar en los experimentos del Proyecto Manhattan. Llegó a Los Álamos en 1943. Desarrolló el "Método Montecarlo", que ayudó enormemente en los cálculos para la creación de la bomba atómica.

Albert Einstein

Nació en Ulm, Alemania en 1879. Estudió en Munich y luego se mudaron a Italia y a Suiza. Aceptó un puesto en la Oficina de Patentes. En 1905 se doctoró. En 1914 recuperó su nacionalidad alemana, pero en 1933, renunció a ésta. Emigró a EEUU para trabajar en teoría física en Princeton. Con otros científicos, firmó una carta instando al Presidente Roosevelt para que aprobara las investigación nuclear. Creó laTeoría de la Relatividad. Ganó el Premio Nóbel de Física en 1920.

Cinco meses antes de su muerte, escribía: “cometí un gran error en mi vida… cuando firmé la carta para el presidente Roosevelt recomendando el desarrollo de la bomba atómica, pero hubo una cierta justificación – el peligro de que los alemanes la hicieran antes.”

James Franck •

Hamburgo, 1882-Göttingen, 1964. Emigró a Estados Unidos en 1933 y se involucró en el Proyecto Manhattan nombrado director de la División de Química del Laboratorio de Metalúrgica de Chicago.

Coordinador de un comité sobre problemas políticos y sociales que podría ocasionar la bomba atómica junto con otros científicos como Leó Szilárd o Donald J. Hughes. El “Franck Report” recomendaba el no uso de bombas atómicas en Japón pero Harry Truman, se desentendió.

El premio Nobel de Franck quedó en Dinamarca y fue disuelto en agua regia tras la invasión nazi , más tarde fue restaurado.

Hans Bethe

Nació en Alemania en 1906. Se doctoró en física en Frankfurt y fue docente privado en Sttutgart. Fue profesor en la Universidad de Tubingen, pero perdió su trabajo porque su madre era judía. En 1933 emigró a Inglaterra pero no encontró un campo adecuado para desarrollar sus teorías. Se cambió a la Universidad de Cornell en EEUU en 1935. Fue nombrado director de la División de Teoría del Proyecto Manhattan, donde formó parte del equipo que calculó cuánto combustible nuclear se requeriría para construir las bombas. Ganó el Premio Nóbel en Física en 1967.

Arthur H. Compton(1892-62)

Físico estadounidense. Premio Nobel en física en 1927 por sus aportes a la comprensión de la radiación magnética. Responsable del comité científico (S-1) de investigación de las propiedades del uranio, mas tarde presidido por Robert Oppenheimer, cuyas conclusiones llevaron en 1942 al involucramiento del ejercito en el proyecto atómico. Bajo su supervisión en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago se logro la primera reacción nuclear controlada por parte del fisico Enrico Fermi.

Niels BohrFísico danés. Premio Nobel de 1922. Basándose en las teorías de Rutherford, publicó su modelo atómico (Modelo atómico de Bohr) en 1913, introduciendo la teoría de las órbitas cuantificadas. Temeroso de la iniciativas nazis colaboró activamente en la construcción de armas atómicas primero con los británicos y y luego sumándose al Proyecto Manhattan. Activista del desarme en la posguerra.

Richard Feynman

Nació en 1918 en Nueva York. Premio Nobel por sus aportes en electrodinámica cuántica. Director del equipo de computistas en el Proyecto Manhattan. Trabajó en Cornell y en el Instituto de Tecnología de California. Desempeñó un papel relevante en la investigación de la explosión del Challenger. Entre sus escritos destacan: ¡Está usted de broma, Mr. Feynman! Aventuras de un curioso (1985) y QED: La extraña teoría de la luz y la materia (1985).

Otto Frisch (1904-1979) Físico británico de origen austríaco. Durante las navidades de 1938, visitó a su tía Lise Meitner y le ayudó a explicar que los núcleos de uranio se habían dividido en dos.Volvió a Copennague, donde aisló restos de la reacciones de fisión. Llegó al proyecto en 1943. Trabajó con Rudolf Peierls en la iniciativa británica de construcción de armas nucleares en 1941, conocida como Tube Alloys .

Ernest O. Lawrence (1901 - 1958) Físico estadounidense y Premio Nobel en 1939. Introductor de R. Oppenheimer al Proyecto Manhattan en el cual participó desde la Universidad de Berkeley. La era de la transmutación artificial comenzó con la fabricación del primer «aplasta-átomos», el ciclotrón, en 1931. El primero y minúsculo ciclotrón de alambre y cera fue el antecesor de los enormes actuales de kilómetros de circunferencia para tratar de responder a las preguntas fundamentales relativas a la estructura de la materia.

J. Robert Oppenheimer(1904-67)

Físico estadounidense destacado en vastos campos.Responsable del diseño y construcción de la bomba, en Los Álamo y carismático líder del grupo de científicos. Reexaminó su posición a favor del empleo de la bomba sobre Japón y se convirtió en opositor a la bomba de hidrógeno alentada por Teller por lo que fue motivo de investigaciones basadas en sus simpatías izquierdistas. Finalmente fue reivindicado.