Pila de Chicago-1

El Chicago Pile-1 ( CP-1 ) fue el primer reactor nuclear artificial. El 2 de diciembre de 1942, se inició en el CP-1 la primera reacción nuclear en cadena autosostenida creada por el hombre, durante un experimento dirigido por Enrico Fermi . El desarrollo secreto del reactor fue el primer gran logro técnico del Proyecto Manhattan , el esfuerzo aliado para crear armas nucleares durante la Segunda Guerra Mundial . Desarrollado por el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago , el CP-1 se construyó bajo las tribunas de observación oeste del Stagg Field original . Aunque los líderes civiles y militares del proyecto tenían dudas sobre la posibilidad de una reacción descontrolada desastrosa, confiaron en los cálculos de seguridad de Fermi y decidieron que podían llevar a cabo el experimento en una zona densamente poblada. Fermi describió el reactor como "un montón tosco de ladrillos negros y vigas de madera". ^{[ 5 ]}

Después de una serie de intentos, el reactor exitoso fue ensamblado en noviembre de 1942 por un equipo de aproximadamente 30 personas que, además de Fermi, incluía a los científicos Leo Szilard (quien previamente había formulado una idea para la reacción en cadena sin fisión ), Leona Woods , Herbert L. Anderson , Walter Zinn , Martin D. Whitaker y George Weil . El reactor usaba uranio natural. Esto requería una cantidad muy grande de material para alcanzar la criticidad, junto con grafito usado como moderador de neutrones . El reactor contenía 45 000 bloques de grafito ultrapuro que pesaban 360 toneladas cortas (330 toneladas ) y fue alimentado por 5,4 toneladas cortas (4,9 toneladas) de uranio metálico y 45 toneladas cortas (41 toneladas) de óxido de uranio . A diferencia de la mayoría de los reactores nucleares posteriores, no tenía blindaje contra la radiación ni sistema de enfriamiento, ya que operaba a una potencia muy baja, alrededor de medio vatio; No obstante, el éxito del reactor significó que se pudiera controlar una reacción en cadena y estudiar y aprovechar la reacción nuclear .

La búsqueda de un reactor se había desencadenado por la preocupación de que la Alemania nazi tuviera una ventaja científica sustancial. El éxito de Chicago Pile-1 al producir la reacción en cadena proporcionó la primera demostración fehaciente de la viabilidad del uso militar de la energía nuclear por parte de los Aliados, así como la realidad del peligro de que la Alemania nazi lograra producir armas nucleares. Anteriormente, las estimaciones de masas críticas habían sido cálculos rudimentarios, lo que generaba incertidumbres de orden de magnitud sobre el tamaño de una bomba hipotética. El uso exitoso del grafito como moderador allanó el camino para el progreso del esfuerzo aliado, mientras que el programa alemán languideció en parte debido a la creencia de que se tendría que usar agua pesada, escasa y costosa, para ese propósito. Los alemanes no habían tenido en cuenta la importancia de las impurezas de boro y cadmio en las muestras de grafito en las que realizaron su prueba de uso como moderador, mientras que Leo Szilard y Enrico Fermi habían preguntado a los proveedores sobre las contaminaciones más comunes del grafito después de una primera prueba fallida. En consecuencia, se aseguraron de que la siguiente prueba se realizara con grafito completamente libre de ellos. Resultó que tanto el boro como el cadmio eran potentes venenos de neutrones .

En 1943, el CP-1 fue trasladado al Sitio A , una instalación de investigación bélica cerca de Chicago, donde fue reconfigurado para convertirse en el Chicago Pile-2 (CP-2). Allí se utilizó para investigación hasta 1954, cuando fue desmantelado y enterrado. Las gradas del Stagg Field fueron demolidas en agosto de 1957 y un cuadrilátero conmemorativo marca ahora la ubicación del sitio experimental, que actualmente es un Monumento Histórico Nacional y un Monumento Histórico de Chicago .

La idea de una reacción química en cadena fue sugerida por primera vez en 1913 por el químico alemán Max Bodenstein para una situación en la que dos moléculas reaccionan para formar no solo los productos finales de la reacción, sino también algunas moléculas inestables que pueden reaccionar aún más con las sustancias originales para provocar más reacciones. ^{[ 6 ]} El concepto de una reacción nuclear en cadena fue hipotetizado por primera vez por el científico húngaro Leo Szilard el 12 de septiembre de 1933. ^{[ 7 ]} Szilard se dio cuenta de que si una reacción nuclear producía neutrones o dineutrones , que luego causaban más reacciones nucleares, el proceso podría autoperpetuarse. Szilard propuso usar mezclas de isótopos conocidos más ligeros que producían neutrones en grandes cantidades, y también consideró la posibilidad de usar uranio como combustible. ^{[ 8 ]} Presentó una patente para su idea de un reactor nuclear simple al año siguiente. ^{[ 9 ]} El descubrimiento de la fisión nuclear por los químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann en 1938, ^{[ 10 ] [ 11 ]} y su explicación teórica (y denominación) por sus colaboradores Lise Meitner y Otto Frisch , ^{[ 12 ] [ 13 ]} abrió la posibilidad de crear una reacción en cadena nuclear con uranio, pero los experimentos iniciales no tuvieron éxito. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Para que ocurriera una reacción en cadena, los átomos de uranio fisionables debían emitir neutrones adicionales para mantener la reacción en marcha. En la Universidad de Columbia en Nueva York, el físico italiano Enrico Fermi colaboró ​​con los estadounidenses John Dunning , Herbert L. Anderson , Eugene T. Booth , G. Norris Glasoe y Francis G. Slack para llevar a cabo el primer experimento de fisión nuclear en los Estados Unidos el 25 de enero de 1939. ^{[ 18 ] [ 19 ]} Trabajos posteriores confirmaron que los neutrones rápidos se producían efectivamente por fisión. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Szilard obtuvo permiso del jefe del Departamento de Física de Columbia, George B. Pegram , para usar un laboratorio durante tres meses, y persuadió a Walter Zinn para que se convirtiera en su colaborador. ^{[ 22 ]} Llevaron a cabo un experimento sencillo en el séptimo piso de Pupin Hall en Columbia, utilizando una fuente de radio-berilio para bombardear uranio con neutrones. Descubrieron una multiplicación significativa de neutrones en el uranio natural, lo que demuestra que podría ser posible una reacción en cadena. ^{[ 23 ]}

Fermi y Szilard seguían creyendo que se necesitarían enormes cantidades de uranio para una bomba atómica y, por lo tanto, se concentraron en producir una reacción en cadena controlada. ^{[ 24 ]} Fermi instó a Alfred OC Nier a separar los isótopos de uranio para determinar el componente fisionable y, el 29 de febrero de 1940, Nier separó la primera muestra de uranio-235 , que, después de ser enviada por correo a Dunning en Columbia, se confirmó que era el material fisionable aislado. ^{[ 25 ]} Cuando trabajaba en Roma, Italia, Fermi había descubierto que las colisiones entre neutrones y moderadores de neutrones pueden ralentizar los neutrones y, por lo tanto, hacer que sean más propensos a ser capturados por los núcleos de uranio, causando la fisión del uranio. ^{[ 26 ] [ 27 ]} Szilard sugirió a Fermi que usaran carbono en forma de grafito como moderador. Como plan de respaldo, consideró el agua pesada . Esto contenía deuterio , que no absorbería neutrones como el hidrógeno ordinario, y era un mejor moderador de neutrones que el carbono; pero el agua pesada era cara y difícil de producir, y podrían ser necesarias varias toneladas. ^{[ 28 ]} Fermi estimó que un núcleo de uranio fisionable producía 1,73 neutrones en promedio. Era suficiente, pero se requería un diseño cuidadoso para minimizar las pérdidas. ^{[ 29 ] [ 30 ]} (Hoy se sabe que el número promedio de neutrones emitidos por núcleo de uranio-235 fisionable es de aproximadamente 2,4). ^{[ 31 ]}

Szilard estimó que necesitaría alrededor de 50 toneladas cortas (45 t) de grafito y 5 toneladas cortas (4,5 t) de uranio. ^{[ 28 ]} En diciembre de 1940, Fermi y Szilard se reunieron con Herbert G. MacPherson y Victor C. Hamister en National Carbon para discutir la posible existencia de impurezas en el grafito y la obtención de grafito de una pureza que nunca se había producido comercialmente. ^{[ 32 ]} National Carbon, una empresa química, había tomado la medida entonces inusual de contratar a MacPherson, un físico, para investigar las lámparas de arco de carbono, un uso comercial importante para el grafito en ese momento. Debido a su trabajo estudiando la espectroscopia del arco de carbono, MacPherson sabía que el principal contaminante relevante era el boro, tanto por su concentración como por su afinidad para absorber neutrones, ^{[ 32 ]} confirmando una sospecha de Szilard. ^{[ 33 ]} Más importante aún, MacPherson y Hamister creían que se podían desarrollar técnicas para producir grafito con la pureza suficiente. Si Fermi y Szilard no hubieran consultado a MacPherson y Hamister, podrían haber concluido, erróneamente, como lo hicieron los alemanes, que el grafito no era adecuado para su uso como moderador de neutrones. ^{[ 33 ]}  

Durante los dos años siguientes, MacPherson, Hamister y Lauchlin M. Currie desarrollaron técnicas de purificación térmica para la producción a gran escala de grafito con bajo contenido de boro. ^{[ 32 ] [ 34 ]} El producto resultante fue designado grafito AGOT (" Grafito Acheson de Temperatura Ordinaria") por National Carbon. Con una sección transversal de absorción de neutrones de 4,97 mbarns , el grafito AGOT se considera el primer grafito verdaderamente apto para uso nuclear . ^{[ 35 ]} En noviembre de 1942, National Carbon había enviado 255 toneladas cortas (231 t) de grafito AGOT a la Universidad de Chicago, ^{[ 36 ]} donde se convirtió en la principal fuente de grafito que se utilizaría en la construcción de Chicago Pile-1. ^{[ 37 ]} 

Szilard redactó una carta confidencial al presidente de los Estados Unidos, Franklin D. Roosevelt , advirtiéndole sobre un proyecto alemán de armas nucleares , explicando la posibilidad de que existieran armas nucleares y alentando el desarrollo de un programa que pudiera resultar en su creación. Con la ayuda de Eugene Wigner y Edward Teller , se acercó a su viejo amigo y colaborador Albert Einstein en agosto de 1939 y lo convenció de firmar la carta, lo que le otorgó su prestigio a la propuesta. ^{[ 38 ]} La carta Einstein-Szilard dio como resultado el establecimiento de la investigación sobre fisión nuclear por parte del gobierno de los Estados Unidos. ^{[ 39 ]} Se formó un Comité Asesor sobre Uranio bajo la dirección de Lyman J. Briggs , científico y director de la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos . A su primera reunión, el 21 de octubre de 1939, asistieron Szilard, Teller y Wigner. Los científicos persuadieron al Ejército y la Armada de los Estados Unidos para que proporcionaran 6000 dólares a Szilard para la compra de suministros para experimentos, en particular, más grafito. ^{[ 40 ]}

En abril de 1941, el Comité Nacional de Investigación para la Defensa (NDRC) creó un proyecto especial dirigido por Arthur Compton , profesor de física de la Universidad de Chicago y ganador del Premio Nobel , para elaborar un informe sobre el programa del uranio. El informe de Compton, presentado en mayo de 1941, preveía las perspectivas del desarrollo de armas radiológicas , propulsión nuclear para barcos y armas nucleares que utilizaran uranio-235 o el plutonio , recientemente descubierto . ^{[ 41 ]} En octubre, redactó otro informe sobre la viabilidad de una bomba atómica. Para este informe, colaboró ​​con Fermi en los cálculos de la masa crítica del uranio-235. También analizó las perspectivas del enriquecimiento de uranio con Harold Urey . ^{[ 42 ]}

Niels Bohr y John Wheeler habían teorizado que los isótopos pesados ​​con números de masa atómica impares eran fisionables . De ser así, entonces el plutonio-239 probablemente también lo sería. ^{[ 43 ]} En mayo de 1941, Emilio Segrè y Glenn Seaborg produjeron 28 μg de plutonio-239 en el ciclotrón de 60 pulgadas (150 cm) de la Universidad de California, Berkeley , y descubrieron que tenía 1,7 veces la sección transversal de captura de neutrones térmicos del uranio-235. En ese momento, solo se habían producido cantidades tan minúsculas de plutonio-239 en ciclotrones, y no era posible producir una cantidad suficientemente grande de esa manera. ^{[ 44 ]} Compton discutió con Wigner cómo se podría producir plutonio en un reactor nuclear , y con Robert Serber sobre cómo se podría separar ese plutonio del uranio. Su informe, presentado en noviembre, afirmaba que una bomba era factible. ^{[ 42 ]} 

El borrador final del informe de Compton de noviembre de 1941 no mencionaba el plutonio, pero después de discutir las últimas investigaciones con Ernest Lawrence , Compton se convenció de que una bomba de plutonio también era factible. En diciembre, Compton fue puesto a cargo del proyecto de plutonio. ^{[ 45 ]} Sus objetivos eran producir reactores para convertir uranio en plutonio, encontrar formas de separar químicamente el plutonio del uranio y diseñar y construir una bomba atómica. ^{[ 46 ] [ 43 ]} A Compton le correspondió decidir qué tipo de diseño de reactor debían seguir los científicos, aunque todavía no se había construido un reactor exitoso. ^{[ 47 ]} Propuso un cronograma para lograr una reacción nuclear en cadena controlada para enero de 1943 y tener una bomba atómica para enero de 1945. ^{[ 46 ]}

En un reactor nuclear, la criticidad se alcanza cuando la tasa de producción de neutrones es igual a la tasa de pérdidas de neutrones, incluyendo tanto la absorción como la fuga de neutrones. Cuando un átomo de uranio-235 sufre fisión, libera un promedio de 2,4 neutrones. ^{[ 31 ]} En el caso más simple de un reactor esférico homogéneo y sin reflexión , el radio crítico se calculó aproximadamente como:

${\displaystyle R_{crit}\approx {\frac {\pi M}{\sqrt {k-1}}}}$, ^{[ 48 ]}

donde M es la distancia promedio que recorre un neutrón antes de ser absorbido, y k es el factor de multiplicación promedio de neutrones . Los neutrones en reacciones sucesivas se amplificarán por un factor k , la segunda generación de eventos de fisión producirá k ² , la tercera k ³ y así sucesivamente. Para que ocurra una reacción nuclear en cadena autosostenida , k debe ser al menos un 3 o 4 por ciento mayor que 1. En otras palabras, k debe ser mayor que 1 sin cruzar el umbral crítico inmediato que daría como resultado un rápido aumento exponencial en el número de eventos de fisión. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

Fermi bautizó su aparato como "pila". Emilio Segrè recordó más tarde que:

Pensé durante un tiempo que este término se usaba para referirse a una fuente de energía nuclear, en analogía con el uso que Volta hacía del término italiano «pila» para designar su gran invención de una fuente de energía eléctrica. Me desilusionó el propio Fermi, quien me dijo que simplemente usaba la palabra inglesa común «pile» como sinónimo de «heap» (montón) . Para mi sorpresa, Fermi nunca pareció haber pensado en la relación entre su «pile» y el de Volta. ^{[ 50 ]}

Se obtuvo otra subvención, esta vez de 40 000 dólares, del Comité de Uranio S-1 para comprar más materiales, y en agosto de 1941 Fermi comenzó a planificar la construcción de un conjunto subcrítico para probar con una estructura más pequeña si una más grande funcionaría. El llamado montón exponencial que propuso construir tenía 2,4 m de largo, 2,4 m de ancho y 3,4 m de alto. ^{[ 51 ]} Esto era demasiado grande para caber en los Laboratorios de Física Pupin. Fermi recordó que:   

Fuimos a ver al decano Pegram, que por aquel entonces era el hombre que podía realizar magia en la Universidad, y le explicamos que necesitábamos una habitación grande. Él exploró el campus y lo acompañamos a pasillos oscuros, debajo de varias tuberías de calefacción, etc., para visitar posibles lugares para este experimento y finalmente se descubrió una habitación grande en el Schermerhorn Hall . ^{[ 52 ]}

La pila se construyó en septiembre de 1941 con bloques de grafito de 10 x 10 x 30 cm y latas de hojalata de óxido de uranio. Las latas eran cubos de 20 x 20 x 20 cm . Llenas de óxido de uranio, cada una pesaba aproximadamente 27 kg . En total había 288 latas, y cada una estaba rodeada de bloques de grafito para formar una estructura reticular cúbica. Se colocó una fuente de neutrones de radio-berilio cerca de la base. El óxido de uranio se calentó para eliminar la humedad y se introdujo en las latas aún caliente sobre una mesa vibratoria. Luego, las latas se sellaron soldándolas. Para la mano de obra, Pegram contrató al equipo de fútbol americano de Columbia . En aquella época, era costumbre que los jugadores de fútbol americano realizaran trabajos ocasionales en la universidad. Podían manipular las pesadas latas con facilidad. El resultado final fue un decepcionante k de 0,87. ^{[ 49 ] [ 53 ]}   

Compton consideraba que tener equipos en la Universidad de Columbia, la Universidad de Princeton , la Universidad de Chicago y la Universidad de California generaba demasiada duplicación y poca colaboración, por lo que decidió concentrar el trabajo en un solo lugar. Nadie quería mudarse y todos defendían su propia ubicación. En enero de 1942, poco después de que Estados Unidos entrara en la Segunda Guerra Mundial, Compton se decidió por su propia ubicación: la Universidad de Chicago, donde sabía que contaba con el apoyo incondicional de la administración universitaria. ^{[ 54 ]} Chicago también tenía una ubicación central, y los científicos, técnicos e instalaciones estaban más fácilmente disponibles en el Medio Oeste , donde el trabajo bélico aún no los había desplazado. ^{[ 54 ]} En contraste, la Universidad de Columbia estaba involucrada en esfuerzos de enriquecimiento de uranio bajo la dirección de Harold Urey y John Dunning, y dudaba en añadir un tercer proyecto secreto. ^{[ 55 ]}

Antes de partir hacia Chicago, el equipo de Fermi hizo un último intento de construir una pila funcional en Columbia. Dado que los recipientes habían absorbido neutrones, se descartaron. En su lugar, el óxido de uranio, calentado a 250 °C (480 °F) para secarlo, se prensó en orificios cilíndricos de 7,6 cm (3 pulgadas ) de largo y 7,6 cm (3 pulgadas ) de diámetro perforados en el grafito. A continuación, se selló toda la pila soldando láminas de metal a su alrededor, y el contenido se calentó por encima del punto de ebullición del agua para eliminar la humedad. El resultado fue un k de 0,918. ^{[ 56 ]}    

En Chicago, Samuel K. Allison había encontrado un lugar adecuado de 18 m de largo, 9,1 m de ancho y 7,9 m de alto, ligeramente hundido bajo el nivel del suelo, en un espacio bajo las gradas del Stagg Field, originalmente construido como cancha de raquetas . ^{[ 57 ] [ 58 ]} El Stagg Field había estado prácticamente sin uso desde que la Universidad de Chicago dejó de jugar fútbol americano en 1939, ^{[ 48 ] [ 59 ]} pero las canchas de raquetas bajo las gradas del oeste todavía se usaban para jugar squash y balonmano . Leona Woods y Anthony L. Turkevich jugaron squash allí en 1940. Dado que estaba destinado a un ejercicio extenuante, el área no tenía calefacción y era muy fría en invierno. Las cercanas gradas del norte tenían un par de pistas de patinaje sobre hielo en la planta baja, que aunque no estaban refrigeradas, rara vez se derretían en invierno. ^{[ 60 ]} Allison utilizó el área de la cancha de raquetas para construir un pilote experimental de 2,1 m (7 pies ) antes de que llegara el grupo de Fermi en 1942. ^{[ 57 ]}    

El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos asumió el control del programa de armas nucleares en junio de 1942, y el Laboratorio Metalúrgico de Compton pasó a formar parte de lo que se denominó el Proyecto Manhattan . ^{[ 61 ]} El general de brigada Leslie R. Groves, Jr. se convirtió en director del Proyecto Manhattan el 23 de septiembre de 1942. ^{[ 62 ]} Visitó el Laboratorio Metalúrgico por primera vez el 5 de octubre. ^{[ 63 ]} Entre el 15 de septiembre y el 15 de noviembre de 1942, grupos dirigidos por Herbert Anderson y Walter Zinn construyeron 16 pilotes experimentales bajo las gradas de Stagg Field. ^{[ 64 ]}

Fermi diseñó una nueva pila, que sería esférica para maximizar k , que se predijo que sería alrededor de 1,04, logrando así la criticidad. ^{[ 65 ]} Leona Woods recibió el encargo de construir detectores de neutrones de trifluoruro de boro tan pronto como completó su tesis doctoral. También ayudó a Anderson a localizar la gran cantidad necesaria de vigas de 4 por 6 pulgadas (10 por 15 cm) en aserraderos en el lado sur de Chicago . ^{[ 66 ]} Llegaron envíos de grafito de alta pureza , principalmente de National Carbon, y dióxido de uranio de alta pureza de Mallinckrodt en St. Louis, Missouri, que ahora producía 30 toneladas cortas (27 t) al mes. ^{[ 67 ]} El uranio metálico también comenzó a llegar en mayores cantidades, producto de técnicas recientemente desarrolladas. ^{[ 68 ]}  

El 25 de junio, el Ejército y la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico (OSRD) seleccionaron un sitio en el Bosque de Argonne, cerca de Chicago, para una planta piloto de plutonio; este se conoció como " Sitio  A ". Se arrendaron 1025 acres (415 ha) al Condado de Cook en agosto, ^{[ 69 ] [ 70 ]} pero en septiembre se hizo evidente que las instalaciones propuestas serían demasiado extensas para el sitio, y se decidió construir la planta piloto en otro lugar. ^{[ 71 ]} Los pilotes subcríticos representaban poco peligro, pero Groves consideró prudente ubicar un pilote crítico —un reactor nuclear completamente funcional— en un sitio más remoto. Se inició la construcción de un edificio en Argonne para albergar el pilote experimental de Fermi, cuya finalización estaba programada para el 20 de octubre. Debido a conflictos laborales, la construcción se retrasó y quedó claro que los materiales para el nuevo pilote de Fermi estarían disponibles antes de que se completara la nueva estructura. A principios de noviembre, Fermi llegó a Compton con una propuesta para construir el pilote experimental debajo de las gradas en Stagg Field. ^{[ 72 ]} 

El riesgo de construir un reactor operativo funcionando a criticidad en una zona poblada era un problema significativo, ya que existía el peligro de una fusión nuclear catastrófica que cubriera una de las principales áreas urbanas de Estados Unidos con productos de fisión radiactivos. Pero la física del sistema sugería que la pila podría apagarse de forma segura incluso en caso de una reacción descontrolada . Cuando un átomo de combustible sufre fisión, libera neutrones que chocan con otros átomos de combustible en una reacción en cadena. ^{[ 72 ]} El tiempo entre la absorción del neutrón y la fisión se mide en nanosegundos. Szilard había observado que esta reacción deja tras de sí productos de fisión que también pueden liberar neutrones, pero lo hacen durante períodos mucho más largos, desde microsegundos hasta minutos. En una reacción lenta como la que se produce en una pila donde se acumulan los productos de fisión, estos neutrones representan aproximadamente el tres por ciento del flujo total de neutrones . ^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

Fermi argumentó que, mediante el uso de neutrones retardados y el control preciso de las tasas de reacción a medida que aumenta la potencia, un reactor puede alcanzar la criticidad con tasas de fisión ligeramente inferiores a las de una reacción en cadena que dependa únicamente de los neutrones instantáneos de las reacciones de fisión. Dado que la tasa de liberación de estos neutrones depende de eventos de fisión que tienen lugar algún tiempo antes, existe un retraso entre cualquier pico de potencia y el evento de criticidad posterior. Este tiempo proporciona a los operadores margen de maniobra; si se observa un pico en el flujo de neutrones instantáneos, disponen de varios minutos antes de que esto provoque una reacción descontrolada. Si se inyecta un absorbedor de neutrones, o veneno de neutrones , en cualquier momento durante este período, el reactor se apagará. En consecuencia, la reacción puede controlarse con sistemas de control electromecánicos , como las barras de control . Compton consideró que este retraso era suficiente para proporcionar un margen de seguridad crítico, ^{[ 72 ] [ 73 ]} y permitió a Fermi construir el reactor Chicago Pile-1 en Stagg Field. ^{[ 75 ] [ 73 ]}

Compton explicó posteriormente que:

Como funcionario responsable de la Universidad de Chicago, según todas las normas del protocolo organizacional, debería haber consultado con mi superior. Pero esto habría sido injusto. El presidente Hutchins no estaba en posición de emitir un juicio independiente sobre los riesgos involucrados. En aras del bienestar de la Universidad, la única respuesta que podría haber dado habría sido: no. Y esta respuesta habría sido errónea. ^{[ 75 ]}

Compton informó a Groves de su decisión en la reunión del Comité Ejecutivo S-1 del 14 de noviembre. ^{[ 73 ]} Aunque Groves "tenía serias dudas sobre la sensatez de la sugerencia de Compton", no intervino. ^{[ 76 ]} Se dice que James B. Conant , presidente de la NDRC, palideció. Pero debido a la urgencia y a su confianza en los cálculos de Fermi, nadie objetó. ^{[ 77 ]}

Chicago Pile-1 fue encerrado dentro de un globo para que el aire en su interior pudiera ser reemplazado por dióxido de carbono . Anderson mandó fabricar un globo gris oscuro a Goodyear Tire and Rubber Company . Un globo cúbico de 7,6 m (25 pies) era algo inusual, pero la clasificación de prioridad AAA del Proyecto Manhattan garantizó una entrega rápida sin hacer preguntas. ^{[ 64 ] [ 78 ]} Se utilizó un sistema de poleas para izarlo a su lugar, con la parte superior asegurada al techo y tres lados a las paredes. El lado restante, el que daba al balcón desde donde Fermi dirigía la operación, se enrolló como un toldo. Se dibujó un círculo en el suelo y el apilamiento de bloques de grafito comenzó la mañana del 16 de noviembre de 1942. ^{[ 79 ]} La primera capa colocada estaba compuesta enteramente de bloques de grafito, sin uranio. Las capas sin uranio se alternaron con dos capas que contenían uranio, de modo que el uranio quedó encerrado en grafito. ^{[ 79 ]} A diferencia de los reactores posteriores, no tenía blindaje contra la radiación ni sistema de refrigeración, ya que solo estaba diseñado para funcionar a muy baja potencia. ^{[ 80 ]} 

El trabajo se realizaba en turnos de doce horas, con un turno de día a cargo de Zinn y un turno de noche a cargo de Anderson. ^{[ 81 ]} Para la mano de obra, contrataron a treinta jóvenes que habían abandonado la escuela secundaria y que estaban deseosos de ganar algo de dinero antes de ser reclutados por el ejército. ^{[ 82 ]} Mecanizaron 45 000 bloques de grafito que contenían 19 000 piezas de uranio metálico y óxido de uranio. ^{[ 83 ]} El grafito llegaba de los fabricantes en barras de 4,25 x 4,25 pulgadas (10,8 x 10,8 cm) de varias longitudes. Se cortaban en longitudes estándar de 16,5 pulgadas (42 cm) , cada una con un peso de 19 libras (8,6 kg) . Se utilizaba un torno para perforar agujeros de 3,25 pulgadas (8,3 cm) en los bloques para las barras de control y el uranio. Se utilizó una prensa hidráulica para dar forma al óxido de uranio en "pseudoesferas", cilindros con extremos redondeados. Las brocas debían afilarse después de cada 60 agujeros, lo que equivalía a aproximadamente una vez por hora. ^{[ 79 ]} El polvo de grafito pronto llenó el aire y volvió el suelo resbaladizo. ^{[ 75 ]}    

Otro grupo, dirigido por Volney C. Wilson, fue responsable de la instrumentación. ^{[ 81 ]} También fabricaron las barras de control , que eran láminas de cadmio clavadas a tiras de madera planas, ya que el cadmio es un potente absorbente de neutrones, y la línea de parada , una cuerda de manila que, al cortarse, dejaba caer una barra de control en el montón y detenía la reacción. ^{[ 82 ]} Richard Fox, quien fabricó el mecanismo de las barras de control para el montón, comentó que el control manual de velocidad que el operador tenía sobre las barras era simplemente una resistencia variable , que controlaba un motor eléctrico que enrollaba el cable de la cuerda de tender la ropa sobre una polea que también tenía dos pesas de plomo unidas para asegurar que fuera a prueba de fallos y volviera a su posición cero al soltarse. ^{[ 84 ]}

Se colocaron aproximadamente dos capas por turno. ^{[ 79 ]} El contador de neutrones de trifluoruro de boro de Woods se insertó en la capa 15. Posteriormente, se tomaron lecturas al final de cada turno. ^{[ 85 ]} Fermi dividió el cuadrado del radio de la pila por la intensidad de la radiactividad para obtener una métrica que contaba hacia atrás hasta uno a medida que la pila se acercaba a la criticidad. En la capa 15, era 390; en la 19 era 320; en la 25 era 270 y en la 36 era solo 149. El diseño original era para una pila esférica, pero a medida que avanzaba el trabajo, quedó claro que esto no sería necesario. El nuevo grafito era más puro, y 6 toneladas cortas (5,4 t) de uranio metálico muy puro comenzaron a llegar del Proyecto Ames en la Universidad Estatal de Iowa , ^{[ 86 ]} donde Harley Wilhelm y su equipo habían desarrollado un nuevo proceso para producir uranio metálico. La planta de lámparas de Westinghouse suministró 3 toneladas cortas (2,7 t) , que produjo apresuradamente con un proceso improvisado. ^{[ 87 ] [ 88 ]}  

Los cilindros metálicos de uranio de 2,25 pulgadas (5,7 cm) , conocidos como "huevos de Spedding", se dejaron caer en los agujeros del grafito en lugar de las pseudoesferas de óxido de uranio. El proceso de llenar el globo con dióxido de carbono no sería necesario, y se podrían omitir veinte capas. Según los nuevos cálculos de Fermi, la cuenta regresiva llegaría a 1 entre la capa 56 y la 57. Por lo tanto, la pila resultante era más plana en la parte superior que en la inferior. ^{[ 79 ]} Anderson ordenó detener el proceso después de que se colocara la capa 57. ^{[ 89 ]} Una vez completada, la estructura de madera sostenía una estructura de forma elíptica, de 20 pies (6,1 m) de alto, 6 pies (1,8 m) de ancho en los extremos y 25 pies (7,6 m) de ancho en el centro. ^{[ 82 ] [ 90 ]} Contenía 6 toneladas cortas (5,4 t) de uranio metálico, 50 toneladas cortas (45 t) de óxido de uranio y 400 toneladas cortas (360 t) de grafito, con un costo estimado de $2,7 millones. ^{[ 91 ]} Según Robert Crease , CP-1 y los pilotes anteriores eran "las estructuras de mampostería no adherida más grandes desde las pirámides ". ^{[ 92 ]}        

Al día siguiente, 2 de diciembre de 1942, todos se reunieron para el experimento. Había 49 científicos presentes. ^{[ a ]} ​​Aunque la mayor parte del Comité Ejecutivo S-1 estaba en Chicago, solo Crawford Greenewalt estuvo presente, por invitación de Compton. ^{[ 94 ]} Otros dignatarios presentes fueron Szilard, Wigner y Spedding. ^{[ 93 ]} Fermi, Compton, Anderson y Zinn se reunieron alrededor de los controles en el balcón, que originalmente estaba destinado como plataforma de observación. ^{[ 95 ]} Samuel Allison estaba listo con un cubo de nitrato de cadmio concentrado , que debía arrojar sobre la pila en caso de emergencia. El arranque comenzó a las 09:54. Walter Zinn retiró la cremallera, la varilla de control de emergencia, y la aseguró. ^{[ 95 ] [ 96 ]} Norman Hilberry estaba listo con un hacha para cortar la línea de seguridad, lo que permitiría que la cremallera cayera bajo la influencia de la gravedad. ^{[ 96 ] [ 97 ]} Mientras Leona Woods anunciaba en voz alta el conteo del detector de trifluoruro de boro, George Weil , el único en el piso, retiró todas las varillas de control excepto una. A las 10:37, Fermi ordenó a Weil que retirara todas las varillas de control excepto 4,0 m (13 pies) de la última. Weil la retiró 15 cm (6 pulgadas) a la vez, tomando medidas en cada paso. ^{[ 95 ] [ 96 ]}  

El proceso se detuvo abruptamente cuando la barra de control automática se reinsertó, debido a que su nivel de disparo estaba configurado demasiado bajo. ^{[ 98 ]} A las 11:25, Fermi ordenó que se reinsertaran las barras de control. Luego anunció que era la hora del almuerzo. ^{[ 95 ]}

El experimento se reanudó a las 14:00. ^{[ 95 ]} Weil retiró la última barra de control mientras Fermi monitoreaba cuidadosamente la actividad de neutrones. Fermi anunció que la pila había alcanzado la criticidad (una reacción autosostenida) a las 15:25. Fermi cambió la escala del registrador para acomodar la corriente eléctrica que aumentaba rápidamente del detector de trifluoruro de boro. Quería probar los circuitos de control, pero después de 28 minutos, sonaron las alarmas para notificar a todos que el flujo de neutrones había superado el nivel de seguridad preestablecido, y ordenó a Zinn que liberara el zip. La reacción se detuvo rápidamente. ^{[ 99 ] [ 96 ]} La pila había estado funcionando durante aproximadamente 4,5 minutos a unos 0,5 vatios. ^{[ 100 ]} Wigner abrió una botella de Chianti , que bebieron en vasos de papel. ^{[ 101 ]}

Compton notificó a Conant por teléfono. La conversación se desarrolló en un código improvisado:

Compton: El navegante italiano ha llegado al Nuevo Mundo. Conant: ¿Cómo eran los nativos?

Compton: Muy amable. ^{[ 102 ]}

El 12 de diciembre de 1942, la potencia de salida del CP-1 se incrementó a200  W. Al carecer de cualquier tipo de blindaje, representaba un peligro de radiación para todos en las cercanías, y se continuaron las pruebas a 0,5  W. ^{[ 103 ]} La operación se interrumpió el 28 de febrero de 1943, ^{[ 104 ]} y la pila fue desmantelada y trasladada al Sitio  A en el Bosque de Argonne, ahora conocido como Red Gate Woods . ^{[ 105 ] [ 106 ]} Allí se utilizaron los materiales originales para construir Chicago Pile-2 (CP-2). En lugar de ser esférico, el nuevo reactor se construyó en forma de cubo, de unos 25 pies (7,6 m) de altura con una base de aproximadamente 30 pies (9,1 m) cuadrados. Estaba rodeado por muros de hormigón de 5 pies (1,5 m) de espesor que actuaban como blindaje contra la radiación , con protección superior de 6 pulgadas (15 cm) de plomo y 50 pulgadas (130 cm) de madera. Se utilizó más uranio, por lo que contenía 52 toneladas cortas (47 t) de uranio y 472 toneladas cortas (428 t) de grafito. No se proporcionó un sistema de refrigeración ya que solo funcionaba a unos pocos kilovatios. CP-2 entró en funcionamiento en marzo de 1943, con un k de 1,055. ^{[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]} Durante la guerra, Walter Zinn permitió que CP-2 funcionara las 24 horas del día, y su diseño era adecuado para realizar experimentos. ^{[ 110 ]} A CP-2 se le unió Chicago Pile-3 , el primer reactor de agua pesada, que alcanzó la criticidad el 15 de mayo de 1944. ^{[ 108 ] [ 109 ]}       

Los reactores se utilizaron para realizar investigaciones relacionadas con armas, como estudios sobre las propiedades del tritio . Los experimentos de guerra incluyeron la medición de la sección transversal de absorción de neutrones de elementos y compuestos. Albert Wattenberg recordó que se estudiaban unos 10 elementos al mes y 75 a lo largo de un año. ^{[ 111 ]} Un accidente con polvo de radio y berilio provocó una peligrosa disminución en su recuento de glóbulos blancos que duró tres años. A medida que se hicieron más evidentes los peligros de sustancias como la inhalación de óxido de uranio, se realizaron experimentos sobre los efectos de las sustancias radiactivas en animales de laboratorio. ^{[ 70 ]}

Aunque el diseño se mantuvo en secreto durante una década, Szilard y Fermi lo patentaron conjuntamente, con una fecha de presentación inicial del 19  de diciembre de 1944 como el reactor neutrónico n.º  2.708.656. ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]}

El bosque de Red Gate se convirtió más tarde en el sitio original del Laboratorio Nacional Argonne , que reemplazó al Laboratorio Metalúrgico el 1 de julio de 1946, con Zinn como su primer director. ^{[ 115 ]} CP-2 y CP-3 operaron durante diez años antes de que su vida útil se agotara, y Zinn ordenó su cierre el 15 de mayo de 1954. ^{[ 70 ]} Su combustible utilizable restante fue transferido a Chicago Pile-5 en el nuevo sitio del Laboratorio Nacional Argonne en el condado de DuPage , y los reactores CP-2 y CP-3 fueron desmantelados en 1955 y 1956. Algunos de los bloques de grafito de CP-1/CP-2 fueron reutilizados en el reflector del reactor TREAT . Los desechos nucleares de alto nivel, como el combustible y el agua pesada, fueron enviados a Oak Ridge, Tennessee , para su eliminación. El resto fue recubierto de hormigón y enterrado en una zanja de 12 metros de profundidad (40 pies ) en lo que ahora se conoce como el Sitio de Eliminación A/Parcela M. Está marcado por una roca conmemorativa. ^{[ 70 ]} 

En la década de 1970, aumentó la preocupación pública por los niveles de radiactividad en el sitio, que era utilizado para actividades recreativas por los residentes locales. Los estudios realizados en la década de 1980 encontraron estroncio-90 en el suelo de la Parcela  M, cantidades traza de tritio en pozos cercanos y plutonio, tecnecio, cesio y uranio en el área. En 1994, el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Laboratorio Nacional Argonne cedieron a la presión pública y destinaron 24,7  millones de dólares y 3,4 millones de dólares, ^{respectivamente}  , para la rehabilitación del sitio. Como parte de la limpieza, se retiraron 500 yardas cúbicas (380 m³ ) de residuos radiactivos y se enviaron al Sitio de Hanford para su eliminación. Para 2002, el Departamento de Salud Pública de Illinois había determinado que los materiales restantes no representaban ningún peligro para la salud pública. ^{[ 70 ]} 

La exitosa prueba del CP-1 no solo demostró que un reactor nuclear era factible, sino que también demostró que el factor k era mayor de lo que se pensaba originalmente. Esto eliminó las objeciones al uso de aire o agua como refrigerante en lugar del costoso helio. También significó que había mayor libertad en la elección de materiales para las tuberías de refrigeración y los mecanismos de control. Wigner entonces siguió adelante con su diseño para un reactor de producción refrigerado por agua. Persistían las preocupaciones sobre la capacidad de un reactor moderado por grafito para producir plutonio a escala industrial, y por esta razón el Proyecto Manhattan continuó el programa de producción de agua pesada P-9 . ^{[ 116 ]} Un reactor refrigerado por aire, el reactor de grafito X-10 , se construyó en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee, como parte de una semiplanta de plutonio, ^{[ 117 ]} seguido de reactores de producción refrigerados por agua más grandes en el Sitio de Hanford en el estado de Washington . ^{[ 118 ]} En julio de 1945 se produjo suficiente plutonio para una bomba atómica, y en agosto para dos más. ^{[ 119 ]}

El 2 de diciembre de 1952 se inauguró una placa conmemorativa en Stagg Field, con motivo del décimo aniversario de la crisis de CP-1. ^{[ 120 ]} Decía lo siguiente:

El 2 de diciembre de 1942, el hombre logró aquí la primera reacción en cadena autosostenida y, por lo tanto, inició la liberación controlada de energía nuclear. ^{[ 121 ]}

La placa se salvó cuando las tribunas del oeste fueron demolidas en agosto de 1957. ^{[ 122 ]} El sitio de CP-1 fue designado Monumento Histórico Nacional el 18 de febrero de 1965. ^{[ 1 ]} Cuando se creó el Registro Nacional de Lugares Históricos en 1966, también se agregó inmediatamente a este. ^{[ 3 ]} El sitio también fue nombrado Monumento Histórico de Chicago el 27 de octubre de 1971. ^{[ 4 ]}

Hoy, el sitio del antiguo Stagg Field está ocupado por la Biblioteca Regenstein de la universidad , que se inauguró en 1970, y la Biblioteca Joe y Rika Mansueto , que se inauguró en 2011. ^{[ 123 ]} Una escultura de Henry Moore , Energía Nuclear , se encuentra en un pequeño cuadrángulo fuera de la Biblioteca Regenstein en el antiguo sitio de la cancha de raquetas de las tribunas de observación oeste. ^{[ 1 ]} Fue dedicada el 2 de diciembre de 1967, para conmemorar el 25 aniversario de la puesta en crítico de CP-1. Las placas conmemorativas de 1952, 1965 y 1967 están cerca. ^{[ 121 ]} Un bloque de grafito de CP-1 se puede ver en el Museo de Ciencias Bradbury en Los Alamos, Nuevo México ; otro está en exhibición en el Museo de Ciencia e Industria en Chicago. ^{[ 124 ]} El 2 de diciembre de 2017, en el 75 aniversario, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, al restaurar una pila de grafito para investigación, de diseño similar a la Chicago Pile-1, insertó ceremonialmente los últimos lingotes de uranio. ^{[ 125 ]}

• Lista de lugares emblemáticos de Chicago
• Lista de monumentos históricos nacionales en Illinois
• Listados del Registro Nacional de Lugares Históricos en el lado sur de Chicago.

• El día que comenzó mañana: La historia de Chicago Pile 1, la primera central nuclear atómica en YouTube – Video de la AEC, 1967
• Fotos de CP-1 . Archivadas el 27 de febrero de 2021 en Wayback Machine . Archivo de la Biblioteca de la Universidad de Chicago. Incluye fotos y bocetos de CP-1.
• Vídeo de las gradas occidentales de Stagg Field, el Instituto para el Estudio de los Metales (Laboratorio Metalúrgico), Enrico Fermi y un experimento activo utilizando CP-1.
• La primera pila . Historia de 11 páginas sobre CP-1.
• «Recuerdos de primera mano de la primera reacción en cadena autosostenida» . Departamento de Energía . Archivado del original el 27 de marzo de 2019. Consultado el 23 de septiembre de 2015 .Vídeo de dos de los últimos pioneros supervivientes del CP-1, Harold Agnew y Warren Nyer.
• Archivos de audio de Fermi relatando el éxito del reactor en el décimo aniversario en 1952.
• Chicago Pile-1 | Laboratorio Nacional de Los Alamos