Proyecto Ames

El primer punto del orden del día era encontrar uranio para el reactor nuclear que Enrico Fermi proponía construir. El mineral de uranio estaba fácilmente disponible. Unas 1200 toneladas cortas (1100 t) de mineral de alta ley del Congo Belga se encontraban almacenadas en un depósito en Port Richmond, en Staten Island . ^{[ 23 ]} Se extraían unas 300 toneladas cortas (270 t) anuales en la mina Eldorado, en Port Radium, en el Gran Lago del Oso, cerca del Círculo Polar Ártico, en los Territorios del Noroeste de Canadá . La compañía Eldorado también operaba una refinería en Port Hope, Ontario , donde se refinaba mineral canadiense y belga. Los requisitos estimados del Proyecto Manhattan para 1942 eran de 200 toneladas cortas (180 t) , de las cuales Compton necesitaba solo 45 toneladas cortas (41 t) para su reactor nuclear propuesto. ^{[ 24 ]}    

El principal problema eran las impurezas en el óxido de uranio, que podían actuar como venenos de neutrones e impedir una reacción nuclear en cadena. Debido a la presencia de impurezas, las referencias publicadas antes de 1942 solían indicar su punto de fusión en torno a los 1700 °C (3090 °F) , cuando el uranio metálico puro se funde a 1132 °C (2070 °F) . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Peter P. Alexander, de Metal Hydrides Incorporated, dio en 1938 las primeras indicaciones de que el punto de fusión del uranio era "tan bajo como 1100 °C (2010 °F) e incluso algo menor". ^{[ 28 ] [ 29 ]}      

La forma más eficaz de purificar óxido de uranio en un laboratorio era aprovechar la solubilidad del nitrato de uranio en éter . Ampliar este proceso a escala industrial era una tarea peligrosa; el éter era explosivo y una fábrica que utilizara grandes cantidades corría el riesgo de explotar o incendiarse. Compton y Spedding recurrieron a Mallinckrodt en San Luis , Misuri , que tenía experiencia con el éter. Spedding revisó los detalles con los ingenieros químicos de Mallinckrodt, Henry V. Farr y John R. Ruhoff, el 17 de abril de 1942. En pocos meses, se produjeron sesenta toneladas de óxido de uranio de alta pureza. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

El único metal de uranio disponible comercialmente fue producido por la Westinghouse Electric and Manufacturing Company , utilizando un proceso fotoquímico. ^{[ 32 ]} El óxido de uranio reaccionó con fluoruro de potasio en grandes cubas en el techo de la planta de Westinghouse en Bloomfield, Nueva Jersey . ^{[ 24 ]} Esto produjo lingotes del tamaño de una moneda de veinticinco centavos que se vendieron por alrededor de $ 20 por gramo. Pero Edward Creutz , el jefe del grupo del Laboratorio Metalúrgico responsable de la fabricación del uranio, quería una esfera de metal del tamaño de una naranja para sus experimentos. Con el proceso de Westinghouse, habría costado $ 200 000 y tomado un año para producirla. ^{[ 33 ]} El proceso de hidruro o "hidramet", desarrollado por Alexander, utilizó hidruro de calcio como agente reductor para la conversión del mineral de uranio en metal. ^{[ 29 ] [ 34 ]} De esta manera, la planta de Hidruros Metálicos en Beverly, Massachusetts , logró producir unas pocas libras de metal de uranio. Desafortunadamente, el hidruro de calcio contenía cantidades inaceptables de boro , un veneno neutrónico, lo que hacía que el metal no fuera apto para su uso en un reactor. Pasaron algunos meses antes de que Clement J. Rodden, de la Oficina Nacional de Estándares y Union Carbide, encontrara una manera de producir hidruro de calcio con la pureza suficiente. ^{[ 24 ]}

Spedding y Wilhelm comenzaron a buscar formas de crear el metal de uranio. En aquel entonces, se producía en forma de polvo y era altamente pirofórico . Podía prensarse, sinterizarse y almacenarse en latas, pero para que fuera útil, necesitaba fundirse y moldearse. El moldeo presentaba dificultades porque el uranio corroía los crisoles de berilio, magnesia y grafito. Para producir metal de uranio, intentaron reducir el óxido de uranio con hidrógeno, pero esto no funcionó. Si bien la mayoría de los elementos vecinos en la tabla periódica pueden reducirse para formar metal puro y escoria , el uranio no se comportaba de esta manera. En junio de 1942, intentaron reducir el uranio con carbono en una atmósfera de hidrógeno, con un éxito moderado. Luego probaron con aluminio, magnesio y calcio, sin éxito alguno. Al mes siguiente, el equipo de Ames descubrió que el uranio fundido podía moldearse en un recipiente de grafito . ^{[ 35 ]} Aunque se sabía que el grafito reaccionaba con el uranio, esto se podía controlar porque el carburo se formaba solo donde los dos entraban en contacto. ^{[ 36 ]}

Por esa época, alguien del Laboratorio de Radiación de Berkeley del Proyecto Manhattan llevó un cubo de tetrafluoruro de uranio de 51 mm (2 pulgadas) —el compuesto de uranio que se utilizaba en los calutrones— al Laboratorio Metalúrgico para analizar la posibilidad de usarlo en lugar de óxido de uranio en el reactor. Spedding empezó a preguntarse si sería posible producir uranio metálico a partir de esta sal , evitando así los problemas con el oxígeno. Llevó el cubo de vuelta a Ames y le pidió a Wilhelm que investigara. La tarea se le asignó a un colega, Wayne H. Keller. ^{[ 37 ]} Investigó un proceso (ahora conocido como el proceso Ames ) desarrollado originalmente por JC Goggins y otros en la Universidad de New Hampshire en 1926. Este proceso consistía en mezclar tetracloruro de uranio (a partir del cual Eugène-Melchior Péligot preparó por primera vez uranio puro por reducción con potasio en 1841 ^{[ 38 ]} ) y calcio metálico en un recipiente a presión de acero revestido de óxido de calcio (conocido como "bomba") y calentarlo. ^{[ 36 ]} Keller pudo reproducir los resultados de Goggins el 3 de agosto de 1942, creando un botón de 20 gramos (0,71 oz) de uranio metálico muy puro. El proceso se amplió posteriormente. Para septiembre, se estaban preparando bombas en tubos de acero de 4 pulgadas (10 cm) de diámetro y 15 pulgadas (38 cm) de largo, revestidos con cal para evitar la corrosión, y que contenían hasta 3 kilogramos (6,6 lb) de tetrafluoruro de uranio. CF Gray tomó estos lingotes y los fundió en una pieza de uranio puro de 4980 gramos (10,98 lb) y 5 x 2 pulgadas (12,7 x 5,1 cm) . ^{[ 39 ]}       

El 24 de septiembre de 1942, Wilhelm llevó el lingote a Spedding en el Laboratorio Metalúrgico de Chicago y se lo presentó a Compton, cuya primera reacción fue de incredulidad. Pensó que debía estar hueco. Spedding hizo cortar el lingote. No estaba hueco. Unos días después, el director del Laboratorio Metalúrgico, Richard L. Doan, fue a Ames, donde redactó un contrato de la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) para el Proyecto Ames para producir 100 libras (45 kg) de uranio puro al día. Esta sería una planta piloto, y el proceso eventualmente se transferiría a la industria. ^{[ 40 ]} El contrato de la OSRD fue reemplazado por un contrato del Proyecto Manhattan en noviembre de 1942. ^{[ 41 ]} El contrato inicial fue de $50,000. Para el 31 de diciembre de 1945, el valor nominal de los contratos adjudicados al Proyecto Ames totalizaba $6.907 millones; pero el trabajo se realizó por $4 millones. ^{[ 42 ]} 

Wilhelm encontró un antiguo edificio de madera en el extremo sureste del campus. Había sido un edificio de economía doméstica hasta 1926, y luego sirvió como gimnasio femenino hasta que se construyó uno nuevo en 1941; para 1942 se utilizaba principalmente como almacén. El edificio fue entregado al Proyecto Ames, y el piso de madera fue reemplazado por uno de concreto, para gran decepción del arquitecto de la universidad, quien llevaba años intentando que lo demolieran. El edificio pasó a ser conocido oficialmente como el Anexo de Química Física; los lugareños lo llamaban "Pequeña Ankeny", por la cercana ciudad de Ankeny, Iowa , donde había una fábrica de municiones. Buscando máquinas herramienta, Wilhelm encontró un taller mecánico en venta en Ames. El propietario, Bill Maitland, había fabricado herramientas de jardinería, pero ya no podía obtener el metal que necesitaba debido al racionamiento de la guerra. Wilhelm lo compró por $8,000. El Laboratorio Metalúrgico suministró dos grandes hornos de reducción de 40 kilovatios . ^{[ 40 ]}

El Proyecto Ames suministró dos toneladas de uranio metálico al Laboratorio Metalúrgico para la construcción de Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear del mundo, que alcanzó la criticidad el 2 de diciembre de 1942. ^{[ 40 ]} Posteriormente, el Proyecto Ames suministraría más del 90 por ciento del uranio para el reactor de grafito X-10 en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee . ^{[ 43 ]} La producción aumentó de 100 libras (45 kg) de uranio metálico por día en diciembre de 1942 a 550 libras (250 kg) por día a mediados de enero de 1943. ^{[ 44 ]}  

Para la producción, se cambió el proceso para usar magnesio en lugar de calcio; el magnesio era más barato, más fácil de conseguir y más puro. Pero también era más difícil iniciar la reacción con magnesio que con calcio, ya que requería más calentamiento. El tetrafluoruro de uranio, conocido como sal verde por su color característico, era suministrado por Mallinckrodt, DuPont y Harshaw Chemical, ^{[ 45 ]} y se molía al llegar, al igual que el magnesio. Las bombas normalmente eran tubos de 6 pulgadas (15 cm) de diámetro y 36 pulgadas (91 cm) de largo, aunque se podían usar tubos de 10 pulgadas (25 cm) de diámetro y 42 pulgadas (110 cm) de largo para producir lingotes de 125 libras (57 kg) . Se calentaban a 650 °C (1202 °F) durante 40 a 60 minutos, tras lo cual la mezcla reaccionaba espontáneamente, alcanzando temperaturas de 1500 a 2000 °C (2730 a 3630 °F) . Se utilizaba un micrófono para detectar la ignición, y la bomba se trasladaba a una cámara de pulverización para enfriarla. Si todo funcionaba correctamente, se producían lingotes de uranio metálico y escoria de fluoruro de magnesio . Una vez enfriada la bomba, se abría y se golpeaba hasta que los dos componentes se separaban. El lingote resultante se estampaba y se enviaba a fundir. ^{[ 46 ]}         

La fundición remodelaba el uranio en lingotes y eliminaba las impurezas. Las galletas de metal se fundían en un crisol de grafito y se vertían en un molde. Esto producía varillas de entre 1,5 y 5,0 pulgadas (3,8 y 12,7 cm) de diámetro y de 20 a 30 pulgadas (51 a 76 cm) de largo. Las varillas se marcaban con un número y se colocaban en cajas de madera para su envío al Laboratorio Metalúrgico. Desde allí se enviaban a Oak Ridge o al Sitio de Hanford . Para julio de 1943, el Proyecto Ames producía 130 000 libras (59 000 kg) de uranio metálico al mes. ^{[ 46 ]} El costo de una libra de uranio metálico bajó de $1000 a alrededor de un dólar. ^{[ 47 ]} A partir de julio de 1943, Mallinckrodt, Electromet y DuPont comenzaron a producir uranio mediante el proceso Ames, ^{[ 46 ]} y Ames eliminó gradualmente su propia producción a principios de 1945. ^{[ 48 ]}   

El Proyecto Ames inició un programa de recuperación de uranio metálico a partir de chatarra. En 1944 se construyó un nuevo edificio, conocido como Anexo 2 de Química Física, con este fin. Las virutas de uranio se lavaban, secaban, se pasaban por un imán para eliminar las impurezas de hierro y se prensaban en briquetas. Posteriormente, se enviaban a refundir. El trabajo se transfirió a Metal Hydrides y a una planta de recuperación en el emplazamiento de Hanford en diciembre de 1945, momento en el que el Proyecto Ames había recuperado 270 toneladas de chatarra. En total, el Proyecto Ames produjo más de 910 toneladas de uranio metálico. Toda la producción cesó el 5 de agosto de 1945, al igual que la de Metal Hydrides y DuPont, dejando a Mallinckrodt como el único productor de uranio metálico en el período inmediatamente posterior a la guerra. ^{[ 49 ]}  

En 1942, Glenn T. Seaborg estableció que, al bombardear el torio con neutrones, este podía transformarse en uranio-233 fisionable . Esta era otra posible vía para la creación de una bomba atómica, especialmente si se demostraba que el uranio-233 podía separarse del torio con mayor facilidad que el plutonio del uranio. No se profundizó en esta línea de investigación porque la producción de uranio-233 habría requerido un rediseño completo de los reactores de Hanford; pero en abril de 1944, Thorfin R. Rogness, del Laboratorio Metalúrgico, calculó que un reactor nuclear que contuviera torio podría producir suficiente uranio-233 para mantener la reacción sin necesidad de añadir más torio. Esto resultó muy interesante, ya que en aquel momento se creía que el uranio podría ser escaso, mientras que el torio era al menos diez veces más abundante. ^{[ 50 ]}

En julio y agosto de 1943, el Proyecto Ames intentó crear torio metálico utilizando un método similar al Proceso Ames. Esto no tuvo éxito, ya que el torio tiene un punto de fusión mucho más alto que el uranio. Los esfuerzos continuaron en 1944, y se descubrió que con un potenciador de cloruro de zinc podían producir una aleación de zinc-torio . Calentando a 1300 °C (2370 °F) en un crisol de grafito se podía fundir el zinc, que luego se extraía. Esto dejaba el torio, que se fundía en lingotes de 68 kg (150 libras) en crisoles de berilia. Para el 31 de diciembre de 1945 se habían producido unos 2000 kg (4500 libras). El torio se vendía a 3 dólares el gramo antes de la guerra; al final de la misma, el Proyecto Ames lo producía a menos de 5 centavos el gramo. ^{[ 51 ] [ 52 ]}    

El berilio fue utilizado por el Proyecto Manhattan como reflector de neutrones ^[ 53 ^{] y} como componente de iniciadores de neutrones modulados ^{[ 54 ]} . Solo una empresa lo producía comercialmente en Estados Unidos: Brush Beryllium en Lorain, Ohio ^{[ 55 ]} . El Proyecto Ames comenzó a trabajar en un proceso de producción en diciembre de 1943, reduciendo fluoruro de berilio en una bomba con magnesio metálico y un potenciador de azufre. La principal dificultad para trabajar con berilio era su alta toxicidad. Se utilizó una bomba cerrada para minimizar la posibilidad de producir polvo tóxico de berilio. El proceso funcionó, pero las altas temperaturas y presiones generadas por el sulfuro de magnesio lo hacían potencialmente explosivo. Posteriormente se desarrolló una alternativa utilizando fluoruro de berilio en una bomba con calcio metálico y un potenciador de cloruro de plomo . El metal se fundía al vacío . La investigación continuaba cuando terminó la guerra ^{[ 56 ] .}

A mediados de 1944, se le pidió al Proyecto Ames que produjera cerio. ^{[ 57 ]} Este se estaba utilizando en los laboratorios de Berkeley y Los Alamos para obtener sulfuro de cerio , que se empleaba en crisoles para fundir plutonio. ^{[ 58 ]} Nuevamente, se empleó el método de la bomba, esta vez para reducir cloruro de cerio anhidro con calcio utilizando un potenciador de yodo. Se construyó una "sala seca" especial para secar el cloruro de cerio con gas cloruro de hidrógeno . El metal resultante contenía impurezas de calcio y magnesio, por lo que tuvo que ser refundido para eliminarlas. Se aprovechó la oportunidad para convertirlo en varillas de 0,75 pulgadas (1,9 cm) de diámetro y 4 pulgadas (10 cm) de largo, la forma deseada. Debido a la alta reactividad del cerio, la refundición se realizó al vacío, utilizando un crisol de óxido de calcio u óxido de magnesio . El primer envío de cerio metálico se realizó en agosto de 1944. El Laboratorio Ames produjo 437 libras (198 kg) de cerio extremadamente puro (más del 99 %) para agosto de 1945, cuando finalizó la producción. ^{[ 57 ]}