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Experimento RaLa

Imágenes de rayos X ultrarrápidas de las ondas de choque convergentes que se formaron durante una prueba del sistema de lentes de alto explosivo. El experimento RaLa , o RaLa , ...

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Imágenes de rayos X ultrarrápidas de las ondas de choque convergentes que se formaron durante una prueba del sistema de lentes de alto explosivo.

El experimento RaLa , o RaLa , fue una serie de pruebas realizadas durante y después del Proyecto Manhattan , diseñadas para estudiar el comportamiento de las ondas de choque convergentes y lograr la implosión esférica necesaria para la compresión del núcleo de plutonio del arma nuclear . El experimento utilizó cantidades significativas de un radioisótopo de corta vida, el lantano-140 , una potente fuente de radiación gamma ; RaLa es una contracción de La nthanum, un radioisótopo radiactivo . El método fue propuesto por Robert Serber y desarrollado por un equipo liderado por el físico experimental italiano Bruno Rossi .

Las pruebas se realizaron con esferas de lantano radiactivo de 1/8 de pulgada (3,2 mm ) , equivalentes a unos 100 curies (3,7 TBq ) y posteriormente a 1000 Ci (37 TBq) , [ 1 ] ubicadas en el centro de un dispositivo nuclear simulado. Las lentes explosivas se diseñaron principalmente a partir de esta serie de pruebas. Se realizaron unas 254 pruebas entre septiembre de 1944 y marzo de 1962. [ 2 ] En su historia del proyecto de Los Alamos, David Hawkins escribió: «RaLa se convirtió en el experimento individual más importante que influyó en el diseño final de la bomba». [ 3 ]    

Configuración experimental

El experimento fue propuesto el 1 de noviembre de 1943 por Robert Serber . [ 1 ] La idea era medir la simetría espacial y temporal de la compresión explosiva de una esfera metálica. La prueba medía los cambios en la absorción de rayos gamma en el metal de la esfera a medida que se comprimía. La fuente de rayos gamma se ubicaba en el centro de la esfera metálica. El aumento del espesor (de las cáscaras huecas) y la densidad (de las esferas sólidas) a medida que progresaba la compresión se detectaba como una disminución de la intensidad de los rayos gamma fuera de la esfera; los explosivos de menor densidad no absorbían la radiación gamma lo suficiente como para interferir con el experimento. Los rayos gamma debían ser intensos y de la energía adecuada. Si la energía era demasiado baja, serían absorbidos completamente por el metal circundante; si era demasiado alta, la diferencia de atenuación durante la implosión sería demasiado baja para ser práctica. Los detectores debían ofrecer alta velocidad y gran área; las cámaras de ionización rápida , entonces en desarrollo, eran los únicos dispositivos disponibles que cumplían con los requisitos. [ 4 ]

El lantano-140 fue elegido porque emite rayos gamma en el rango de energía deseado (1,60 megaelectronvoltios (MeV), con una fracción de 0,49 MeV) y tiene una actividad específica muy alta , lo que proporciona una intensidad de radiación suficiente para producir señales utilizables de las cámaras de ionización. Después de una prueba, el La-140 disperso se desintegra rápidamente en cerio-140 estable , lo que reduce el riesgo de radiación para los operadores después de varias vidas medias . También estaba potencialmente disponible en mayores cantidades porque su nucleido padre , el bario-140, es un producto de fisión abundante del uranio. Como consecuencia, las muestras de lantano-140 contenían trazas de bario-140 , cesio-140 y, especialmente, estroncio-90 , que todavía presenta un problema de contaminación radiactiva en el área de las pruebas. [ 5 ] El lantano-140 tiene una actividad específica de 5,57 × 10 5 Ci/g (20,6 PBq/g); Por lo tanto, una fuente de La-140 de 1000 Ci (37 TBq) equivale a aproximadamente 1,8 mg de lantano . [ 1 ]       

Una muestra de radiolantano, precipitada en la punta de un pequeño cono, seguida de un tapón, se introdujo en el centro de la esfera metálica del montaje experimental con un dispositivo similar a una caña de pescar . El cono y el tapón se acoplaron al centro metálico del montaje, formando juntos una esfera metálica. A continuación, se devolvió una sección de la lente explosiva a su lugar sobre la esfera. Varias cámaras de ionización, generalmente cuatro, se ubicaron alrededor del montaje experimental. Inmediatamente después de la detonación, generaron señales que se mostraron en osciloscopios en un refugio a prueba de explosiones o en un laboratorio móvil dentro de un tanque, a 46 metros (150 pies) de distancia, y las trazas del osciloscopio se registraron con cámaras . Se realizó una medición de calibración antes y después de cada prueba. Las cámaras de ionización y sus preamplificadores se destruyeron durante la explosión, pero su diseño simple permitió su producción en cantidades suficientes. [ 6 ] 

Una esfera dentro de un cilindro en el suelo, sobre la cual hay un andamio de madera y dos grandes cajas. Al fondo se ven árboles.
Montaje experimental para el disparo 78 de RaLa el 13 de mayo de 1947 en Bayo Canyon. Cada caja rectangular contiene ocho cámaras cilíndricas de ionización rápida .

Las cámaras de ionización eran cilíndricas, de 51 mm (2 pulgadas ) de diámetro y 760 mm (30 pulgadas ) de longitud, con un alambre a lo largo del eje longitudinal. Estaban llenas con una mezcla de argón y dióxido de carbono a 4,5 atmósferas estándar (460 kPa ) . Ocho cámaras estaban dispuestas en una bandeja y conectadas en paralelo; cuatro bandejas estaban ubicadas en un tetraedro alrededor del conjunto experimental, registrando la radiación gamma alrededor de la esfera, lo suficientemente cerca para dar una señal y lo suficientemente lejos para no ser destruidas por la explosión antes de que pudieran registrar la información requerida. [ 6 ] La iniciación de los explosivos se realizó inicialmente mediante un sistema Primacord multipunto . Los resultados fueron erráticos, ya que las detonaciones no estaban suficientemente sincronizadas. Se obtuvieron resultados mucho mejores después de febrero de 1945, cuando se dispuso de detonadores de alambre de puente explosivo , desarrollados por el grupo G-7 de Luis Álvarez . [ 1 ]   

Como no se disponía de plutonio, se sustituyó por un material con propiedades mecánicas similares. Se utilizó uranio empobrecido , pero no resultó óptimo debido a su opacidad a la radiación; el hierro , el cobre o el cadmio eran otras opciones. El cadmio fue la opción elegida para la mayoría de las pruebas. El primer disparo se realizó con una maqueta de hierro del núcleo de plutonio . [ 6 ]

La señal resultante fue una caída rápida, correspondiente a la compresión de la esfera de cadmio, seguida de un aumento más lento, correspondiente a la descompresión y posterior dispersión de la esfera y el lantano. Las diferencias entre las cuatro trazas en la pantalla del osciloscopio, cada una indicando la compresión promedio en la dirección del detector, permitieron evaluar la precisión de sincronización requerida para los detonadores. [ 4 ]

Las fuentes RaLa eran altamente radiactivas. Tuvieron que ser bajadas al aparato de prueba por una varilla de 10 pies (3 m) de largo. [ 7 ] Las pruebas se observaron inicialmente desde un tanque M4 Sherman sellado ; el laboratorio móvil constaba de dos tanques. Se esperaba que cada experimento contaminara un área de aproximadamente 32 000 pies cuadrados (3000 m 2 ) durante aproximadamente medio año. Cuando se eliminó el radiobario del radiolantano, los niveles de contaminación a corto plazo resultaron ser insignificantes. [ 6 ] Luego, los tanques fueron reemplazados por refugios fijos. Uno de los tanques fue posteriormente recubierto de plomo, sellado, equipado con un suministro de aire autónomo y utilizado para el muestreo de productos de fisión en los escombros posteriores a la explosión después de la prueba Trinity . [ 8 ] Las fuentes representaban un riesgo considerable de exposición a la radiación; La tasa de exposición de una fuente de 1000 Ci (37 TBq) a 3 pies (1 m) fue de 1130 R/h y de 11 000 R/h a 1 pie (0,30 m) . En algunas pruebas se utilizaron fuentes con actividades de hasta 2300 Ci (85 TBq) . [ 4 ]          

Seguridad radiológica

El sistema para el manejo remoto de las muestras tenía fallas; se tardó aproximadamente seis meses en descubrirlas todas. Los químicos, que trabajaban con mezclas de productos de fisión con lotes que alcanzaban hasta 2300 Ci (85 TBq) cada uno, se exponían frecuentemente (accidentalmente) a dosis de radiación indeseablemente altas. El grupo que manejaba los experimentos corría menos riesgo; trabajaban en estrecha coordinación con el Grupo de Salud, que se encargaba de garantizar que la exposición a la radiación de las personas involucradas fuera compatible con la vida. [ 8 ] La contaminación radiactiva representaba un problema. Las personas que trabajaban en el Cañón de Bayo tenían que cambiarse de ropa y ducharse después del trabajo. A veces, incluso activaban los detectores en los controles de seguridad. [ 9 ]  

Una cabaña rodeada de pinos. Hay nieve en el suelo. Un hombre y una mujer con batas blancas de laboratorio tiran de una cuerda que está sujeta a un pequeño carrito sobre una plataforma de madera. Encima del carrito hay un gran objeto cilíndrico.
Manejo remoto de una fuente de radiolantano de 1000 Ci (37 TBq) (1,8 mg) para un experimento RaLa en Los Álamos  

Los experimentos se realizaron en el Cañón de Bayo, en una ubicación designada TA-10 ("Área Técnica 10") (pero más comúnmente conocida como el Sitio del Cañón de Bayo ), en el condado de Los Alamos , cerca del límite con el condado de Santa Fe , al noreste del emplazamiento de la ciudad de Los Alamos. El sitio contaba con varias estructuras fijas. El lantano-140 se aisló en un edificio de radioquímica, TA-10-1. Había cuatro sitios de detonación. Los instrumentos para detonar los explosivos y registrar los datos se encontraban en dos edificios de control de detonación (TA-10-13 y TA-10-15). [ 10 ]

Grandes cantidades de lantano radiactivo fueron dispersadas por las explosiones al aire libre; se realizaron 254 pruebas entre 1944 y 1961. En 1948, dos trabajadores sufrieron quemaduras por radiación en el lugar. Los experimentos generalmente se realizaban cuando el viento soplaba del norte, pero ocasionalmente el viento cambiaba de dirección al amanecer. En 1949 y 1950, la lluvia radiactiva de las pruebas se dispersó sobre partes de la zona residencial y una carretera; los niveles de radiación en la carretera alcanzaron ocasionalmente entre 5 y 10  mR/h y la carretera tuvo que ser cerrada durante un tiempo. [ 1 ] [ 10 ]

Cada prueba liberó una columna de lantano radiactivo disperso. Se documentan tres pruebas en 1950 en las que la radiactividad liberada fue rastreada por un avión B-17 . En un caso, se detectó radiación sobre una ciudad a 27 km (17 millas ) a sotavento. Estas pruebas fueron simultáneas con las pruebas RaLa, y su objetivo era el desarrollo de detectores aerotransportados para rastrear las pruebas nucleares de explosión aérea . [ 2 ] El tamaño y la altitud de la nube radiactiva estaban determinados por la cantidad de explosivo utilizado. Para las primeras 125 pruebas entre 1944 y 1949, el monitoreo meteorológico y de la lluvia radiactiva era escaso, pero entre 1950 y 1954 se implementó un monitoreo más exhaustivo, que posteriormente se volvió integral. Según se informa, una nube fue rastreada hasta 110 km (70 millas ) a sotavento, sobre Watrous , Nuevo México . [ 11 ]  

Logística y cronograma

Para gestionar la logística de las pruebas, Robert Oppenheimer , director del laboratorio de Los Alamos, designó a Luis Álvarez como jefe del programa RaLa; su grupo fue denominado E-7, Grupo de Detonadores Eléctricos y RaLa. [ 4 ] Bruno Rossi y el físico suizo Hans Staub construyeron las cámaras de ionización y la electrónica a finales de la primavera. [ 4 ] Al principio, el trabajo avanzó lentamente, ya que la implosión era solo un proyecto de reserva; se creía que la bomba de plutonio sería del diseño de arma de fisión tipo cañón Thin Man . Esto resultó no ser así, ya que las primeras pruebas con plutonio producido en reactor a principios del verano de 1944 mostraron tasas de fisión espontánea inaceptablemente altas debido a la presencia de plutonio-240 , lo que impidió el uso del ensamblaje de cañón. El 17 de julio se abandonó el diseño Thin Man y todos los esfuerzos se centraron en la implosión. Para afrontar el desafío, el Laboratorio de Los Alamos se reorganizó: se formaron la División X (División de Explosivos) y la División G (División de Dispositivos o División de Física de Armas). El grupo de Rossi fue asignado a la División G como G-6 o Grupo RaLa; el grupo de Álvarez fue el G-7 o Grupo de Detonadores Eléctricos. [ 4 ]

El 25 de julio de 1944 se disparó la primera prueba preliminar en el Cañón de Bayo como ensayo, prueba de equipo y medición de tiempos de colapso y velocidades de detonación y onda de choque. El programa se retrasó aproximadamente un mes debido a los envíos tardíos de radiobario, ya que la prueba programada para el 15 de agosto no se realizó hasta mediados de septiembre. La primera prueba con radiobario se disparó el 22 de septiembre. [ 12 ] A finales de agosto y a petición del grupo de Rossi, el grupo RaLa se reformó bajo el liderazgo de Rossi, y Álvarez y su grupo se hicieron cargo de la investigación del detonador de alambre de puente explosivo . [ 4 ] A sugerencia de Robert Christy, se eligieron esferas sólidas en lugar de las huecas originalmente previstas para el pozo, con el fin de reducir los problemas con chorros y desprendimiento . El primer disparo de esfera sólida RaLa se realizó a principios de diciembre, pero los resultados no fueron concluyentes. Sin embargo, el disparo del 14 de diciembre mostró (en palabras de Robert Bacher ) "evidencia definitiva de compresión". [ 13 ]

Las primeras pruebas con detonadores eléctricos y pozos sólidos se realizaron el 7 y el 14 de febrero de 1945; hasta entonces se empleaba la iniciación basada en cuerdas primarias. Los detonadores eléctricos mostraron una mejora significativa en el grado de compresión y la simetría alcanzados, y se utilizaron en todas las pruebas RaLa posteriores. Basándose en estos resultados, a finales de febrero se decidió el diseño del Gadget , como se conocía eufemísticamente a la bomba. [ 13 ] También fueron necesarios otros métodos de prueba, ya que los experimentos RaLa solo proporcionaron indicaciones indirectas sobre la formación de chorros problemáticos que aquejaban a los primeros diseños de implosión, pero RaLa fue el más importante. [ 6 ]

Preparación de radiolantano

Preparación de bario-lantano

La vida media del La-140 es de 40,224 horas; sufre desintegración beta a cerio-140 estable . Se preparó a partir de bario-140, un producto de fisión común aislado del combustible gastado del reactor de grafito X-10 del Laboratorio Nacional de Oak Ridge , [ 14 ] y posteriormente, después de 1948, también de los reactores nucleares productores de plutonio-239 del Sitio de Hanford . El bario se aisló en un laboratorio de alta temperatura construido específicamente para este fin en Oak Ridge y se envió en un contenedor de plomo a Los Alamos, donde se utilizó para extraer lantano. El laboratorio de Oak Ridge fue el primero en utilizar manipuladores remotos para trabajar con materiales radiactivos. La entrega se realizó mediante un camión con una tripulación de dos personas, que condujo 2400 km sin parar. [ 1 ] 

En Oak Ridge, los lingotes de uranio se irradiaban durante 40 días, luego se dejaban enfriar de 1 a 5 días y finalmente se disolvían. Posteriormente se extraía el bario y se evaporaba la solución; el material sólido se enviaba a Los Alamos. En 1949, las series de producción completas abarcaban hasta 1728 lingotes (34,5 lotes de 50 lingotes). Hasta 1949, la planta de producción de Oak Ridge procesaba lingotes de uranio irradiados tanto en sus instalaciones como en Hanford; posteriormente, solo se procesaba el material de Hanford. [ 15 ]

Al principio, el aislamiento de bario se realizaba en el edificio 3026-C (706-C), donde un laboratorio existente se adaptó para este fin en 5 meses; la primera prueba se completó en septiembre de 1944. El 3026-C fue diseñado para trabajar con fuentes de entre 1 y 10 Ci (37 y 370 GBq) , pero las condiciones obligaron a adaptarlo para trabajar con fuentes de 100 Ci (3,7 TBq) . Su capacidad resultó insuficiente ante el aumento de la demanda. En mayo de 1945, se completó un edificio específico, el 3026-D (706-D), adyacente al 3026-C y diseñado para procesar fuentes de hasta 1000 Ci. La primera prueba en el 3026-D tuvo lugar el 26 de mayo de 1945, el mismo día que la última prueba en las instalaciones del 3026-C. [ 16 ]     

 En marzo de 1949, se produjeron allí 31 envíos con un promedio de más de 2000 Ci cada uno para Los Alamos. Sin embargo, la demanda siguió creciendo; en julio de 1950, el objetivo de producción por envío era de 10 000 Ci (370 TBq) , y a principios de la década de 1950, los requisitos aumentaron a 50 000 Ci (1800 TBq) . En 1954, los envíos aumentaron a 64 805 Ci (2,3978 PBq) , y ese año la AEC decidió construir una nueva instalación en el Laboratorio Nacional de Idaho para la producción de RaLa. En octubre de 1956, Oak Ridge completó su 68.ª y última producción de RaLa. En total, Oak Ridge procesó más de 30 000 lingotes de uranio y envió más de 500 000 Ci (19 PBq) a Los Alamos. [ 15 ]        

Durante la preparación de RaLa se liberaron productos de fisión volátiles. Al disolverse, un lote de 50 lingotes produjo 2500 Ci (93 TBq) de xenón-133 , 1300 Ci (48 TBq) de yodo-131 (cantidades elevadas, ya que el combustible debía procesarse "en fresco") y una pequeña cantidad de criptón-85 . Dado que se tomaron pocas precauciones para limitar la liberación de productos de fisión, la producción de RaLa contribuyó significativamente a la contaminación radiactiva en Oak Ridge. [ 15 ] Las emisiones de yodo fueron un factor importante en la decisión de trasladar la instalación a Idaho. Mejoras posteriores permitieron reducir las emisiones de yodo a niveles aproximadamente 100 veces menores. [ 17 ]    

Un grave accidente con liberación de radiactividad ocurrió en la instalación 3026-D alrededor de las 5 p. m. del 29 de abril de 1954. Después de la disolución del tercer lote de lingotes de uranio, el líquido en el tanque de disolución no cubrió completamente los lingotes durante aproximadamente 29 horas, lo que provocó un sobrecalentamiento debido al calor residual . Cuando se añadió el ácido para el cuarto lote, la violenta reacción con el metal caliente produjo gases y forzó la solución hacia arriba por la rampa de carga de lingotes y las tuberías. El personal del edificio se puso sus máscaras antigás y evacuó el edificio. Los niveles de radiación en el tercer piso del edificio alcanzaron los 100 roentgen por hora (R/h) y se redujeron a 100 mR/h a las 7 a. m. del día siguiente. La exposición máxima para una persona fue de 1,25 R de radiación dura y 4,7 roentgen físicos equivalentes de radiación blanda . [ 16 ]    

Preparación de lantano

Tras la entrega del material de bario-lantano a Los Alamos, se almacenó en un edificio específico en el emplazamiento de Bayo Canyon. Inicialmente, la mezcla se utilizó tal cual, bario y lantano juntos, pero esto provocó una desagradable contaminación radiactiva que tardó mucho en desaparecer, ya que la vida media del bario-140 es de 12,5 días. Poco después, se mejoró el proceso; el bario se eliminó químicamente, mediante doble precipitación a partir de una solución en forma de sulfato de bario . [ 1 ]

El proceso se mejoró nuevamente para permitir la separación repetida de lantano de la solución de bario, a medida que el lantano se acumulaba. Inicialmente, se utilizó un proceso de fosfato, donde el lantano se precipitaba como fosfato de lantano . Este método se abandonó posteriormente cuando se desarrolló un método de oxalato o hidróxido ; el lantano se precipitaba como hidróxido de lantano y luego se convertía en un precipitado filtrable mediante la adición de oxalato con una traza de fluoruro . El método del oxalato debía realizarse rápidamente, ya que el ion oxalato era susceptible a la radiólisis y el lantano tenía la tendencia a volver a la solución. El proceso del oxalato podía realizarse mediante dispositivos operados remotamente. Los lotes contenían alrededor de 100 curies (3700 GBq) de radiolantano, los niveles de radiación más altos con los que se había trabajado hasta ese momento. [ 6 ] Fue necesario desarrollar herramientas especiales para la manipulación remota de los materiales calientes. Se utilizaron ladrillos de plomo para blindar las fuentes. El límite de dosis de radiación para el personal se fijó en 500 mrem (5 mSv ) por preparación de la fuente. En ocasiones se superó este límite; una vez, la dosis recibida fue de 2 rem (20 mSv). [ 1 ]     

El proceso mejorado que separaba el lantano de la solución de cloruro de bario tenía la ventaja de que el bario podía ser "ordeñado" repetidamente, aumentando el rendimiento de radiolantano y permitiendo más experimentos. Se eliminaron los problemas de contaminación radiactiva con bario-140, con su vida media de 12,5 días; la cantidad de estroncio-90 contaminante también se redujo significativamente. El uso de lantano purificado también permitió utilizar una cantidad mucho menor de material en las propias pruebas. Se construyó un equipo semiautomático para el "ordeño de lantano" (el isótopo bario-140 fue apodado "vaca") en un área suficientemente alejada, lo que evitó la construcción, que requería mucho tiempo, de un edificio fuertemente blindado. Al principio, el proceso se topó con un obstáculo cuando se descubrió que las impurezas de hierro y otros metales, probablemente introducidas desde un contenedor de envío irradiado, afectaban la precipitación del fosfato de lantano al formar geles de fosfato que obstruían los filtros. [ 6 ] Este problema se resolvió con mejores contenedores de envío. Un proceso de "ordeño" similar se utiliza ahora para la preparación de tecnecio-99m , utilizado en medicina nuclear , a partir de una "vaca" de molibdeno-99 en generadores de tecnecio-99m . [ 1 ]

El proceso de separación se llevó a cabo en una instalación específica en Bayo Canyon, en el edificio de radioquímica, designado TA-10-1. El lantano separado se transportó al sitio de prueba en un contenedor de plomo en la parte trasera de un camión. [ 1 ] En 1951, el trabajo de separación se trasladó a TA-35. [ 18 ] Las pruebas se realizaron en una serie de un mes de duración, mientras la fuente de bario se desintegraba y se extraía periódicamente el lantano. [ 1 ]

progreso de la posguerra

La tecnología mejoró y, en 1951, las cuatro cámaras de ionización fueron reemplazadas por veinte contadores de centelleo , cada uno con cinco galones de un centelleador líquido . Los destellos de 100 galones estadounidenses (380 L; 83 galones imperiales ) de centelleador en combustión eran extraordinariamente brillantes en las primeras horas de la mañana, cuando generalmente se realizaban las pruebas. [ 1 ] Las pruebas RaLa continuaron hasta 1962, después de lo cual fueron reemplazadas por métodos más avanzados. Actualmente se utilizan varios otros métodos para las pruebas hidrodinámicas. [ 19 ]   

Contaminación a largo plazo

El lantano-140 tiene una vida media corta de aproximadamente 41 horas y no representa una amenaza después de un tiempo relativamente corto. Otros radioisótopos , presentes como impurezas , tienen una vida media lo suficientemente larga como para presentar un problema potencial incluso décadas después de las pruebas; en 2002, el Laboratorio Nacional de Los Alamos emitió una advertencia al condado de Los Alamos y al Servicio Forestal que realizaba el raleo de árboles en el área para que no retiraran los árboles talados en varias partes del Cañón Bayo debido al posible contenido de materiales radiactivos residuales. [ 20 ] Las zonas más afectadas están cercadas; se detectan niveles de radioisótopos en el suelo, los insectos y los árboles de las áreas circundantes. La población vecina no fue informada sobre las pruebas hasta mediados de la década de 1990, y Los Alamos se negó a desclasificar la documentación. [ 5 ]

Referencias

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