Fisión nuclear

Younes y Loveland definen la fisión como «…un movimiento colectivo de los protones y neutrones que componen el núcleo, y como tal se distingue de otros fenómenos que lo desintegran. La fisión nuclear es un ejemplo extremo de movimiento colectivo de gran amplitud que resulta en la división de un núcleo padre en dos o más núcleos fragmento. El proceso de fisión puede ocurrir espontáneamente o ser inducido por una partícula incidente». La energía de una reacción de fisión se produce por sus productos de fisión , aunque la mayor parte, alrededor del 85 %, se encuentra en la energía cinética de los fragmentos , mientras que aproximadamente el 6 % proviene de los neutrones iniciales y los rayos gamma, así como de los emitidos después de la desintegración beta , más aproximadamente el 3 % de los neutrinos como producto de dicha desintegración. ^{[ 5 ] : 21–22, 30}

La energía de enlace del núcleo es la diferencia entre la energía de masa en reposo del núcleo y la energía de masa en reposo de los nucleones neutrón y protón. La fórmula de la energía de enlace incluye términos de energía de volumen, superficie y Coulomb que incluyen coeficientes derivados empíricamente para los tres, además de las relaciones de energía de un núcleo deformado con respecto a una forma esférica para los términos de superficie y Coulomb. Se pueden incluir términos adicionales como la simetría, el apareamiento, el alcance finito de la fuerza nuclear y la distribución de carga dentro de los núcleos para mejorar la estimación. ^{[ 5 ] : 46–50} Normalmente, la energía de enlace se denomina y se representa gráficamente como energía de enlace promedio por nucleón. ^{[ 9 ]}

Según Lilley, "La energía de enlace de un núcleo B es la energía necesaria para separarlo en sus neutrones y protones constituyentes". ^{[ 9 ]}$${\displaystyle m(\mathbf {A} ,\mathbf {Z} )=\mathbf {Z} m_{H}+\mathbf {N} m_{n}-\mathbf {B} /c^{2}}$$ donde A es el número másico , Z es _el número atómico , mH es la masa atómica de un átomo de hidrógeno, _mn es la masa de un neutrón y c es la velocidad de la luz . Por lo tanto, la masa de un átomo es menor que la masa de sus protones y neutrones constituyentes, suponiendo que la energía de enlace promedio de sus electrones es despreciable. La energía de enlace B se expresa en unidades de energía, utilizando la relación de equivalencia masa-energía de Einstein . La energía de enlace también proporciona una estimación de la energía total liberada por la fisión. ^{[ 9 ]}

La curva de energía de enlace se caracteriza por un máximo amplio cerca del número másico 60 a 8,6 MeV, luego disminuye gradualmente hasta 7,6 MeV en los números másicos más altos. Los números másicos superiores a 238 son raros. En el extremo más ligero de la escala, se observan picos para el helio-4 y los múltiplos como el berilio-8, el carbono-12, el oxígeno-16, el neón-20 y el magnesio-24. La energía de enlace debida a la fuerza nuclear se aproxima a un valor constante para valores grandes de A , mientras que la fuerza de Coulomb actúa a una distancia mayor, de modo que la energía potencial eléctrica por protón crece a medida que Z aumenta. La energía de fisión se libera cuando A es mayor que aproximadamente 60. La energía de fusión se libera cuando se combinan núcleos más ligeros. ^{[ 9 ]}

La fórmula de masa semiempírica de Carl Friedrich von Weizsäcker puede utilizarse para expresar la energía de enlace como la suma de cinco términos, que son la energía de volumen, una corrección de superficie, la energía de Coulomb, un término de simetría y un término de apareamiento: ^{[ 9 ]}

$${\displaystyle B=a_{v}\mathbf {A} -a_{s}\mathbf {A} ^{2/3}-a_{c}{\frac {\mathbf {Z} ^{2}}{\mathbf {A} ^{1/3}}}-a_{a}{\frac {(\mathbf {N} -\mathbf {Z} )^{2}}{\mathbf {A} }}\pm \Delta }$$ donde la energía de enlace nuclear es proporcional al volumen nuclear, mientras que los nucleones cercanos a la superficie interactúan con menos nucleones, reduciendo el efecto del término de volumen. Según Lilley, "Para todos los núcleos que se dan de forma natural, el término de energía superficial domina y el núcleo existe en un estado de equilibrio". La contribución negativa de la energía de Coulomb surge de la fuerza eléctrica repulsiva de los protones. El término de simetría surge del hecho de que las fuerzas efectivas en el núcleo son más fuertes para pares neutrón-protón diferentes, en lugar de pares neutrón-neutrón o protón-protón iguales. El término de apareamiento surge del hecho de que los nucleones iguales forman pares de espín cero en el mismo estado espacial. El apareamiento es positivo si N y Z son ambos pares, sumándose a la energía de enlace. ^{[ 9 ]}

En la fisión existe una preferencia por los fragmentos de fisión con Z par , lo que se conoce como el efecto par-impar en la distribución de carga de los fragmentos. Esto se puede observar en los datos empíricos de rendimiento de fragmentos para cada producto de fisión, ya que los productos con Z par tienen valores de rendimiento más altos. Sin embargo, no se observa ningún efecto par-impar en la distribución de fragmentos en función de su A. Este resultado se atribuye a la ruptura de pares de nucleones .

En los eventos de fisión nuclear, los núcleos pueden dividirse en cualquier combinación de núcleos más ligeros, pero el evento más común no es la fisión en núcleos de masa igual de aproximadamente  120; el evento más común (dependiendo del isótopo y el proceso) es una fisión ligeramente desigual en la que un núcleo hijo tiene una masa de aproximadamente 90 a 100 daltons y el otro los 130 a 140 daltons restantes. ^{[ 21 ]}

Los núcleos estables y los núcleos inestables con vidas medias muy largas siguen una tendencia de estabilidad evidente cuando se representa Z frente a N. Para los núcleos más ligeros, con N = 20, la línea tiene una pendiente N = Z , mientras que los núcleos más pesados ​​requieren neutrones adicionales para permanecer estables. Los núcleos ricos en neutrones o protones tienen una energía de enlace excesiva para la estabilidad, y este exceso de energía puede convertir un neutrón en un protón o un protón en un neutrón mediante la fuerza nuclear débil, un proceso conocido como desintegración beta . ^{[ 9 ]}

La fisión inducida por neutrones del U-235 emite una energía total de 207 MeV, de los cuales aproximadamente 200 MeV son recuperables. Los fragmentos de fisión instantánea alcanzan los 168 MeV, que se detienen fácilmente con una fracción de milímetro. Los neutrones instantáneos suman 5 MeV, y esta energía se recupera como calor mediante dispersión en el reactor. Sin embargo, muchos fragmentos de fisión son ricos en neutrones y se desintegran mediante emisiones β⁻ ^. Según Lilley, «La energía de desintegración radiactiva de las cadenas de fisión es la segunda liberación de energía debida a la fisión. Es mucho menor que la energía instantánea, pero es una cantidad significativa y es la razón por la que los reactores deben seguir enfriándose después de su apagado y por la que los residuos deben manipularse con sumo cuidado y almacenarse de forma segura». ^{[ 9 ]}

John Lilley afirma: «...la fisión inducida por neutrones genera neutrones adicionales que pueden inducir más fisiones en la siguiente generación, y así sucesivamente en una reacción en cadena. La reacción en cadena se caracteriza por el factor de multiplicación de neutrones k , que se define como la relación entre el número de neutrones en una generación y el número en la generación anterior. Si, en un reactor, k es menor que la unidad, el reactor es subcrítico, el número de neutrones disminuye y la reacción en cadena se extingue. Si k > 1, el reactor es supercrítico y la reacción en cadena diverge. Esta es la situación en una bomba de fisión, donde el crecimiento se produce a un ritmo explosivo. Si k es exactamente igual a la unidad, las reacciones proceden a un ritmo constante y se dice que el reactor es crítico. Es posible alcanzar la criticidad en un reactor que utilice uranio natural como combustible, siempre que los neutrones se hayan moderado eficientemente a energías térmicas». Los moderadores incluyen agua ligera, agua pesada y grafito . ^{[ 9 ] : 269, 274}

Según John C. Lee, "Para todos los reactores nucleares en funcionamiento y los que están en desarrollo, el ciclo del combustible nuclear se basa en uno de tres materiales fisionables : ^235U , ^233U y ^239Pu , y las cadenas isotópicas asociadas. Para la generación actual de reactores de agua ligera (LWR) , el uranio enriquecido contiene entre un 2,5 y un 4,5 % en peso de ^235U , que se fabrica en barras de combustible _{de UO₂} y se carga en conjuntos de combustible". ^{[ 22 ]}

Lee afirma: «Una comparación importante para los tres principales nucleidos fisionables, ^235U , ^233U y ^239Pu , es su potencial de reproducción. Un reactor reproductor es, por definición, un reactor que produce más material fisionable del que consume y necesita un mínimo de dos neutrones producidos por cada neutrón absorbido en un núcleo fisionable. Por lo tanto, en general, la relación de conversión (RC) se define como la relación entre el material fisionable producido y el destruido ... cuando la RC es mayor que 1,0, se denomina relación de reproducción (RR)... ^233U ofrece un potencial de reproducción superior tanto para reactores térmicos como rápidos, mientras que ^239Pu ofrece un potencial de reproducción superior para reactores rápidos». ^{[ 22 ]}

Los reactores de fisión crítica son el tipo más común de reactor nuclear. En un reactor de fisión crítica, los neutrones producidos por la fisión de los átomos de combustible se utilizan para inducir más fisiones y mantener una liberación de energía controlada. Los dispositivos que producen reacciones de fisión controladas pero no autosostenibles son reactores de fisión subcrítica . Estos dispositivos utilizan la desintegración radiactiva o aceleradores de partículas para desencadenar las fisiones.

Los reactores de fisión críticos se construyen con tres propósitos principales, que normalmente implican diferentes compensaciones de ingeniería para aprovechar el calor o los neutrones producidos por la reacción en cadena de fisión:

• Los reactores nucleares están diseñados para producir calor para la energía nuclear, ya sea como parte de una central generadora o de un sistema de energía local, como un submarino nuclear .
• Los reactores de investigación están diseñados para producir neutrones y/o activar fuentes radiactivas con fines científicos, médicos, de ingeniería u otros fines de investigación.
• Los reactores reproductores están diseñados para producir combustibles nucleares en grandes cantidades a partir de isótopos más abundantes . El reactor reproductor rápido, más conocido, produce ^{239Pu (un combustible nuclear) a partir del 238U} , que es muy abundante en la naturaleza(y no es un combustible nuclear). Los reactores reproductores térmicos, previamente probados con ^232Th para producir el isótopo fisionable ^233U ( ciclo del combustible de torio ), continúan siendo objeto de estudio y desarrollo.

Si bien, en principio, todos los reactores de fisión pueden funcionar en las tres funciones, en la práctica estas tareas generan objetivos de ingeniería contradictorios, y la mayoría de los reactores se han construido teniendo en mente solo una de ellas. (Existen varios contraejemplos tempranos, como el reactor Hanford N , ahora desmantelado).

En 2019, las 448 centrales nucleares en funcionamiento en todo el mundo proporcionaban una capacidad de 398 GWE , de las cuales aproximadamente el 85 % eran reactores refrigerados por agua ligera, como los reactores de agua a presión o los reactores de agua en ebullición . La energía de la fisión se transmite por conducción o convección al refrigerante del reactor nuclear , luego a un intercambiador de calor , y el vapor generado se utiliza para accionar una turbina o un generador. ^{[ 22 ] : 1–4}

El objetivo de una bomba atómica es producir un dispositivo, según Serber, "...en el que la energía se libera mediante una reacción en cadena de neutrones rápidos en uno o más de los materiales conocidos por presentar fisión nuclear". Según Rhodes, "sin manipulación, un núcleo de bomba, incluso con una masa dos veces mayor que la crítica, fisionaría por completo menos del 1% de su material nuclear antes de expandirse lo suficiente como para detener la reacción en cadena. La manipulación siempre aumentaba la eficiencia: reflejaba los neutrones de vuelta al núcleo y su inercia... ralentizaba la expansión del núcleo y ayudaba a evitar que la superficie del núcleo se desprendiera". La reorganización de los componentes subcríticos del material del núcleo debía producirse lo más rápido posible para asegurar una detonación efectiva. Además, era necesario un tercer componente básico, "...un iniciador: una fuente de Ra + Be o, mejor aún, una fuente de Po + Be, con el radio o el polonio unidos quizás a una parte del núcleo y el berilio a la otra, para que chocaran y liberaran neutrones al unirse las partes e iniciar la reacción en cadena". Sin embargo, cualquier bomba "requeriría localizar, extraer y procesar cientos de toneladas de mineral de uranio...", mientras que la separación de U-235 o la producción de Pu-239 requerirían capacidad industrial adicional. ^{[ 1 ] : 460–463}

El descubrimiento de la fisión nuclear tuvo lugar en 1938 en los edificios de la Sociedad Kaiser Wilhelm de Química, hoy parte de la Universidad Libre de Berlín , tras más de cuatro décadas de trabajo en la ciencia de la radiactividad y la elaboración de una nueva física nuclear que describía los componentes de los átomos. En 1911, Ernest Rutherford propuso un modelo del átomo en el que un núcleo de protones muy pequeño, denso y con carga positiva estaba rodeado por electrones con carga negativa en órbita (el modelo de Rutherford ). ^{[ 27 ]} Niels Bohr lo mejoró en 1913 al conciliar el comportamiento cuántico de los electrones (el modelo de Bohr ). En 1928, George Gamow propuso el modelo de la gota líquida , que se volvió esencial para comprender la física de la fisión. ^{[ 1 ] : 49–51, 70–77, 228 [ 5 ] : 6–7}

En 1896, Henri Becquerel descubrió la radiactividad, y Marie Curie le dio nombre. En 1900, Rutherford y Frederick Soddy , al investigar el gas radiactivo que emanaba del torio , llegaron a la tremenda e inevitable conclusión de que el elemento torio se estaba transmutando lenta y espontáneamente en gas argón. ^{[ 1 ] : 41–43}

En 1919, a raíz de una anomalía observada por Ernest Marsden en 1915, Rutherford intentó "romper el átomo". Rutherford logró la primera transmutación artificial de nitrógeno en oxígeno , utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno: ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford afirmó: "...debemos concluir que el átomo de nitrógeno se ha desintegrado", mientras que los periódicos declararon que había dividido el átomo . Esta fue la primera observación de una reacción nuclear, es decir, una reacción en la que las partículas de una desintegración se utilizan para transformar otro núcleo atómico. También ofreció una nueva forma de estudiar el núcleo. Posteriormente, Rutherford y James Chadwick utilizaron partículas alfa para "desintegrar" boro, flúor, sodio, aluminio y fósforo antes de alcanzar una limitación asociada a la energía de su fuente de partículas alfa. ^{[ 1 ]} Finalmente, en 1932, los colegas de Rutherford , Ernest Walton y John Cockcroft , lograron una reacción nuclear totalmente artificial y una transmutación nuclear , utilizando protones acelerados artificialmente contra litio-7 para dividir este núcleo en dos partículas alfa. Esta hazaña se conoció popularmente como "la división del átomo" y les valió el Premio Nobel de Física de 1951 por "Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente" , aunque no se trataba de la reacción de fisión nuclear descubierta posteriormente en elementos pesados. ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

El físico inglés James Chadwick descubrió el neutrón en 1932. ^{[ 31 ]} Chadwick utilizó una cámara de ionización para observar protones expulsados ​​de varios elementos por la radiación del berilio, dando seguimiento a observaciones previas realizadas por Joliot-Curies . En palabras de Chadwick, "...Para explicar el gran poder de penetración de la radiación, debemos suponer además que la partícula no tiene carga neta..." La existencia del neutrón fue postulada por primera vez por Rutherford en 1920, y en palabras de Chadwick, "...¿cómo se iba a construir un núcleo grande con una gran carga positiva? Y la respuesta fue una partícula neutra." ^{[ 1 ] : 153–165} Posteriormente, comunicó sus hallazgos con más detalle. ^{[ 32 ]}

En palabras de Richard Rhodes , refiriéndose al neutrón: «Serviría, por lo tanto, como una nueva sonda nuclear con un poder de penetración sin precedentes». Philip Morrison afirmó: «Un haz de neutrones térmicos que se mueve aproximadamente a la velocidad del sonido... produce reacciones nucleares en muchos materiales con mucha más facilidad que un haz de protones... que viaja miles de veces más rápido». Según Rhodes, «Ralentizar un neutrón le daba más tiempo en las proximidades del núcleo, y eso le daba más tiempo para ser capturado». El equipo de Fermi, que estudiaba la captura radiativa (la emisión de radiación gamma después de que el núcleo captura un neutrón), estudió sesenta elementos, induciendo radiactividad en cuarenta de ellos. En el proceso, descubrieron la capacidad del hidrógeno para ralentizar los neutrones. ^{[ 1 ] : 165, 216–220}

Enrico Fermi y sus colegas en Roma estudiaron los resultados del bombardeo de uranio con neutrones en 1934. ^{[ 33 ]} Fermi concluyó que sus experimentos habían creado nuevos elementos con 93 y 94 protones, a los que el grupo denominó ausenio y hesperio . Sin embargo, no todos estaban convencidos por el análisis de Fermi de sus resultados, aunque ganaría el Premio Nobel de Física de 1938 por sus "demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". La química alemana Ida Noddack sugirió notablemente en 1934 que, en lugar de crear un nuevo elemento más pesado, el 93, "es concebible que el núcleo se rompa en varios fragmentos grandes". ^{[ 34 ]} Sin embargo, la objeción citada aparece bastante más adelante, y fue solo una de las varias lagunas que ella señaló en la afirmación de Fermi. Aunque Noddack era una química analítica de renombre, carecía de los conocimientos de física necesarios para comprender la magnitud de lo que proponía. ^{[ 35 ]}

Tras la publicación de Fermi, Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann comenzaron a realizar experimentos similares en Berlín . Meitner, judía austriaca, perdió su ciudadanía austriaca con el Anschluss , la unión de Austria con Alemania en marzo de 1938, pero huyó a Suecia en julio de ese mismo año y comenzó a cartearse con Hahn en Berlín. Casualmente, su sobrino Otto Robert Frisch , también refugiado, se encontraba en Suecia cuando Meitner recibió una carta de Hahn, fechada el 19 de diciembre, en la que describía su prueba química de que parte del producto del bombardeo de uranio con neutrones era bario . Hahn sugirió una explosión del núcleo, pero no estaba seguro de cuál era la base física de los resultados. El bario tenía una masa atómica un 40 % menor que la del uranio, y ningún método conocido de desintegración radiactiva podía explicar una diferencia tan grande en la masa del núcleo. Frisch se mostró escéptico, pero Meitner confiaba en la capacidad de Hahn como químico. Marie Curie llevaba muchos años separando bario del radio, y las técnicas eran bien conocidas. Meitner y Frisch interpretaron correctamente los resultados de Hahn, entendiendo que el núcleo de uranio se había dividido aproximadamente por la mitad. Frisch sugirió que el proceso se denominara "fisión nuclear", por analogía con el proceso de división celular en dos células, que entonces se llamaba fisión binaria . Del mismo modo que el término "reacción en cadena" nuclear se tomaría prestado posteriormente de la química, el término "fisión" se tomó prestado de la biología. ^{[ 38 ]}

La noticia del nuevo descubrimiento se extendió rápidamente, y se consideró correctamente un efecto físico completamente novedoso con grandes posibilidades científicas y potencialmente prácticas. La interpretación de Meitner y Frisch sobre el descubrimiento de Hahn y Strassmann cruzó el océano Atlántico con Niels Bohr, quien iba a dar una conferencia en la Universidad de Princeton . Rabi y Willis Lamb , dos físicos de la Universidad de Columbia que trabajaban en Princeton, se enteraron de la noticia y la llevaron de vuelta a Columbia. Rabi dijo que se lo contó a Enrico Fermi; Fermi le dio el crédito a Lamb. Poco después, Bohr fue de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Al no encontrarlo en su oficina, Bohr bajó al área del ciclotrón y encontró a Herbert L. Anderson . Bohr lo tomó del hombro y le dijo: «Joven, déjame explicarte algo nuevo y emocionante en física». ^{[ 39 ]}

Para varios científicos de Columbia, era evidente que debían intentar detectar la energía liberada en la fisión nuclear del uranio mediante bombardeo de neutrones. El 25 de enero de 1939, un equipo de la Universidad de Columbia llevó a cabo el primer experimento de fisión nuclear en Estados Unidos, ^{[ 40 ]} que se realizó en el sótano de Pupin Hall . El experimento consistió en colocar óxido de uranio dentro de una cámara de ionización e irradiarlo con neutrones, midiendo la energía liberada. Los resultados confirmaron que se estaba produciendo la fisión e indicaron claramente que era el isótopo uranio 235, en particular, el que se estaba fisionando. Al día siguiente, la quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica comenzó en Washington, D.C., bajo los auspicios conjuntos de la Universidad George Washington y la Institución Carnegie de Washington . Allí, la noticia sobre la fisión nuclear se difundió aún más, lo que impulsó muchas más demostraciones experimentales. ^{[ 41 ]} El artículo de Hahn y Strassmann del 6 de enero de 1939 anunció el descubrimiento de la fisión. En su segunda publicación sobre fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron por primera vez el término Uranspaltung (fisión del uranio) y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena. ^{[ 42 ]} El artículo del 11 de febrero de 1939 de Meitner y Frisch comparó el proceso con la división de una gota líquida y estimó la energía liberada en 200 MeV. ^{[ 43 ]} El artículo del 1 de septiembre de 1939 de Bohr y Wheeler utilizó este modelo de gota líquida para cuantificar los detalles de la fisión, incluida la energía liberada, estimó la sección transversal para la fisión inducida por neutrones y dedujo ²³⁵El U fue el principal contribuyente a esa sección transversal y a la fisión de neutrones lentos. ^{[ 44 ] [ 1 ] : 262, 311 [ 5 ] : 9–13}

Durante este periodo, el físico húngaro Leó Szilárd se percató de que la fisión de átomos pesados ​​mediante neutrones podía utilizarse para generar una reacción nuclear en cadena. Esta reacción, que empleaba neutrones, era una idea que había formulado por primera vez en 1933, tras leer los comentarios despectivos de Rutherford sobre la generación de energía a partir de colisiones de neutrones. Sin embargo, Szilárd no había logrado una reacción en cadena mediante neutrones utilizando berilio. Szilárd afirmó: «...si pudiéramos encontrar un elemento que se dividiera por neutrones y que emitiera dos neutrones al absorber uno , dicho elemento, si se reuniera en una masa suficientemente grande, podría mantener una reacción nuclear en cadena». El 25 de enero de 1939, tras conocer el descubrimiento de Hahn a través de Eugene Wigner , Szilárd comentó: «...si se emiten suficientes neutrones... entonces, por supuesto, debería ser posible mantener una reacción en cadena. Todo lo que predijo H.G. Wells se me hizo repentinamente real». Tras la publicación del artículo de Hahn-Strassman, Szilard señaló en una carta a Lewis Strauss que, durante la fisión del uranio, «la energía liberada en esta nueva reacción debe ser mucho mayor que en todos los casos conocidos anteriormente...», lo que podría conducir a «la producción a gran escala de energía y elementos radiactivos, y lamentablemente, quizás también a bombas atómicas». ^{[ 45 ] [ 1 ] : 26–28, 203–204, 213–214, 223–225, 267–268}

Szilard instó entonces a Fermi (en Nueva York) y a Frédéric Joliot-Curie (en París) a abstenerse de publicar sobre la posibilidad de una reacción en cadena, para evitar que el gobierno nazi se enterara de las posibilidades en vísperas de lo que más tarde se conocería como la Segunda Guerra Mundial . Con cierta vacilación, Fermi accedió a autocensurarse. Pero Joliot-Curie no lo hizo, y en abril de 1939 su equipo en París, incluyendo a Hans von Halban y Lew Kowarski , informó en la revista Nature que el número de neutrones emitidos por la fisión nuclear del uranio era entonces de 3,5 por fisión. ^{[ 46 ]} Szilard y Walter Zinn hallaron «…el número de neutrones emitidos por fisión era de aproximadamente dos». Fermi y Anderson estimaron «un rendimiento de aproximadamente dos neutrones por cada neutrón capturado». ^{[ 1 ] : 290–291, 295–296}

Con la noticia de los neutrones de fisión del uranio, Szilárd comprendió de inmediato la posibilidad de una reacción en cadena nuclear utilizando uranio. En el verano, Fermi y Szilard propusieron la idea de un reactor nuclear (pila) para mediar en este proceso. La pila utilizaría uranio natural como combustible. Fermi había demostrado mucho antes que los átomos capturaban los neutrones con mucha más eficacia si eran de baja energía (los llamados neutrones "lentos" o "térmicos"), porque, por razones cuánticas, esto hacía que los átomos parecieran objetivos mucho más grandes para los neutrones. Así, para ralentizar los neutrones secundarios liberados por los núcleos de uranio fisionables, Fermi y Szilard propusieron un "moderador" de grafito, contra el cual colisionarían los neutrones secundarios rápidos y de alta energía, ralentizándolos eficazmente. Con suficiente uranio y con grafito suficientemente puro, su "pila" podría, en teoría, mantener una reacción en cadena de neutrones lentos. Esto daría como resultado la producción de calor, así como la creación de productos de fisión radiactivos. ^{[ 1 ] : 291, 298–302}

En agosto de 1939, Szilard, Teller y Wigner pensaron que los alemanes podrían utilizar la reacción en cadena de fisión y se vieron impulsados ​​a intentar llamar la atención del gobierno de Estados Unidos sobre el tema. Con este fin, persuadieron a Albert Einstein para que firmara una carta dirigida al presidente Franklin Roosevelt . El 11 de octubre, la carta de Einstein y Szilárd fue entregada a través de Alexander Sachs . Roosevelt comprendió rápidamente las implicaciones y declaró: «Alex, lo que buscas es asegurarte de que los nazis no nos hagan volar por los aires». Roosevelt ordenó la formación del Comité Asesor sobre el Uranio . ^{[ 1 ] : 303–309, 312–317}

En febrero de 1940, alentado por Fermi y John R. Dunning , Alfred O. C. Nier logró separar el U-235 y el U-238 del tetracloruro de uranio en un espectrómetro de masas de vidrio . Posteriormente, Dunning, al bombardear la muestra de U-235 con neutrones generados por el ciclotrón de la Universidad de Columbia , confirmó que "el U-235 era responsable de la fisión neutrónica lenta del uranio". ^{[ 1 ] : 297–298, 332}

En la Universidad de Birmingham , Frisch se asoció con Rudolf Peierls , quien había estado trabajando en una fórmula de masa crítica. Suponiendo que la separación de isótopos fuera posible, consideraron ^{el 235U} , cuya sección transversal aún no se había determinado, pero que se suponía mucho mayor que la del uranio natural. Calcularon que solo una o dos libras en un volumen menor que una pelota de golf darían como resultado una reacción en cadena más rápida que la vaporización, y la explosión resultante generaría temperaturas superiores a las del interior del sol y presiones superiores a las del centro de la Tierra. Además, los costos de la separación de isótopos "serían insignificantes en comparación con el costo de la guerra". En marzo de 1940, alentados por Mark Oliphant , redactaron el memorándum Frisch-Peierls en dos partes: "Sobre la construcción de una 'superbomba' basada en una reacción nuclear en cadena en uranio" y "Memorándum sobre las propiedades de una 'superbomba' radiactiva". El 10 de abril de 1940 se celebró la primera reunión del Comité MAUD . ^{[ 1 ] : 321–325, 330–331, 340–341}

En diciembre de 1940, Franz Simon, de Oxford, escribió su «Estimación del tamaño de una planta de separación real». Simon propuso la difusión gaseosa como el mejor método para la separación de isótopos de uranio. ^{[ 1 ] : 339, 343}

El 28 de marzo de 1941, Emilio Segré y Glen Seaborg informaron sobre las "fuertes indicaciones de que ^{el 239Pu} experimenta fisión con neutrones lentos". Esto significaba que la separación química era una alternativa a la separación de isótopos de uranio. En cambio, un reactor nuclear alimentado con uranio ordinario podría producir un isótopo de plutonio como sustituto explosivo nuclear del ^235U . En mayo, demostraron que la sección eficaz del plutonio era 1,7 veces mayor que la del U235. Cuando se midió que la sección eficaz del plutonio para la fisión rápida era diez veces mayor que la del U238, el plutonio se convirtió en una opción viable para una bomba. ^{[ 1 ] : 346–355, 366–368}

En octubre de 1941, MAUD presentó su informe final al gobierno estadounidense. El informe afirmaba: «Hemos llegado a la conclusión de que será posible fabricar una bomba de uranio eficaz... El material para la primera bomba podría estar listo para finales de 1943...» ^{[ 1 ] : 368–369}

En noviembre de 1941, John Dunning y Eugene T. Booth lograron demostrar el enriquecimiento de uranio mediante difusión por barrera gaseosa. El 27 de noviembre, Bush entregó a Roosevelt el tercer informe de la Academia Nacional de Ciencias . El informe, entre otras cosas, solicitaba el desarrollo paralelo de todos los sistemas de separación de isótopos. El 6 de diciembre, Bush y Conant reorganizaron las tareas del Comité del Uranio: Harold Urey se encargó del desarrollo de la difusión gaseosa, Lawrence de la separación electromagnética, Eger V. Murphree de las centrifugadoras y Arthur Compton de los estudios teóricos y el diseño. ^{[ 1 ] : 381, 387–388}

El 23 de abril de 1942, científicos del Laboratorio Met discutieron siete posibles métodos para extraer plutonio del uranio irradiado y decidieron investigar los siete. El 17 de junio, el primer lote de nitrato de uranio hexahidratado (UNH) se sometió a bombardeo de neutrones en el ciclotrón de la Universidad de Washington en San Luis . El 27 de julio, el UNH irradiado estaba listo para el equipo de Glenn T. Seaborg . El 20 de agosto, utilizando técnicas de ultramicroquímica, lograron extraer plutonio con éxito. ^{[ 1 ] : 408–415}

En mayo de 1942, Gertrude Scharff Goldhaber, del Laboratorio Nacional de Brookhaven, informó por primera vez sobre la emisión de múltiples neutrones durante la fisión espontánea del uranio. Su investigación se mantuvo en secreto. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

En abril de 1939, Fermi y Szilard se propusieron crear una reacción en cadena en uranio natural, en lugar de la separación de isótopos. Sus primeros esfuerzos involucraron quinientas libras de óxido de uranio de la Eldorado Radium Corporation. Envasado en cincuenta y dos latas de dos pulgadas de diámetro y dos pies de largo en un tanque de solución de manganeso, pudieron confirmar que se emitían más neutrones de los que se absorbían. Sin embargo, el hidrógeno presente en el agua absorbía los neutrones lentos necesarios para la fisión. Se consideró entonces el carbono en forma de grafito, debido a su menor sección transversal de captura. En abril de 1940, Fermi pudo confirmar el potencial del carbono para una reacción en cadena de neutrones lentos, tras recibir los bloques de grafito de la National Carbon Company en sus Laboratorios Pupin . En agosto y septiembre, el equipo de Columbia amplió las mediciones de la sección transversal mediante la creación de una serie de "pilas" exponenciales. Las primeras pilas consistían en una red de uranio-grafito, compuesta por 288 recipientes, cada uno con 60 libras de óxido de uranio, rodeados de ladrillos de grafito. El objetivo de Fermi era determinar la masa crítica necesaria para mantener la generación de neutrones. Fermi definió el factor de reproducción k para evaluar la reacción en cadena, con un valor de 1,0 que indicaba una reacción en cadena sostenida. En septiembre de 1941, el equipo de Fermi solo pudo alcanzar un valor de ak de 0,87. En abril de 1942, antes de que el proyecto se centralizara en Chicago, habían alcanzado 0,918 eliminando la humedad del óxido. En mayo de 1942, Fermi planeó una pila de reacción en cadena a gran escala, la Pila Chicago-1, después de que una de las pilas exponenciales en Stagg Field alcanzara un ak de 0,995. Entre el 15 de septiembre y el 15 de noviembre, Herbert L. Anderson y Walter Zinn construyeron dieciséis pilas exponenciales. La adquisición de formas más puras de grafito, sin trazas de boro y con una gran sección transversal, se volvió primordial. También fue importante la adquisición de formas altamente purificadas de óxido de Mallinckrodt Chemical Works. Finalmente, la adquisición de uranio metálico puro del proceso Ames significó el reemplazo de las pseudoesferas de óxido por los "huevos" de Frank Spedding . A partir del 16 de noviembre de 1942, Fermi hizo trabajar a Anderson y Zinn en dos turnos de doce horas, construyendo una pila que finalmente alcanzó las 57 capas para el 1 de diciembre. La pila final consistió en 771.000 libras de grafito, 80.590 libras de óxido de uranio y 12.400 libras de uranio metálico, con diez barras de control de cadmio . La intensidad de neutrones se midió con un trifluoruro de boro.El contador, con las barras de control retiradas, se mantenía en funcionamiento después del final de cada turno. El 2 de diciembre de 1942, con k aproximándose a 1,0, Fermi retiró todas las barras de control excepto una, y gradualmente retiró la última. Los clics del contador de neutrones aumentaron, al igual que el registrador de pluma, cuando Fermi anunció: «El reactor ha alcanzado la criticidad». Habían logrado un ak de 1,006, lo que significaba que la intensidad de neutrones se duplicaba cada dos minutos, además de generar plutonio. ^{[ 1 ] : 298–301, 333–334, 394–397, 400–401, 428–442}

En Estados Unidos, a finales de 1942 se inició un esfuerzo masivo para la fabricación de armas atómicas. Este trabajo fue asumido por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. en 1943, y se conoció como el Distrito de Ingenieros de Manhattan. El ultrasecreto Proyecto Manhattan , como se le conocía coloquialmente, fue dirigido por el general Leslie R. Groves . Entre las docenas de sitios del proyecto se encontraban: el Sitio de Hanford en Washington, que albergaba los primeros reactores nucleares a escala industrial y producía plutonio ; Oak Ridge, Tennessee , que se dedicaba principalmente al enriquecimiento de uranio ; y Los Álamos , en Nuevo México, que era el centro científico para la investigación sobre el desarrollo y diseño de bombas. Otros sitios, en particular el Laboratorio de Radiación de Berkeley y el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, desempeñaron papeles importantes. La dirección científica general del proyecto estuvo a cargo del físico J. Robert Oppenheimer .

En julio de 1945, el primer dispositivo explosivo atómico, apodado "The Gadget", fue detonado en el desierto de Nuevo México durante la prueba Trinity . Estaba alimentado con plutonio creado en Hanford. En agosto de 1945, otros dos dispositivos atómicos —" Little Boy ", una bomba de uranio-235, y " Fat Man ", una bomba de plutonio— fueron utilizados contra las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki .

La criticidad en la naturaleza es poco común. En tres depósitos de mineral en Oklo , Gabón , se han descubierto dieciséis sitios (los llamados reactores fósiles de Oklo ) donde tuvo lugar fisión nuclear autosostenida  hace aproximadamente 2 mil millones de años. El físico francés Francis Perrin descubrió los reactores fósiles de Oklo en 1972, pero Paul Kuroda los postuló en 1956. ^{[ 49 ]} Las reacciones en cadena de fisión de uranio natural a gran escala, moderadas por agua normal, ocurrieron en un pasado lejano y no serían posibles ahora. Este antiguo proceso pudo usar agua normal como moderador solo porque  hace 2 mil millones de años, el uranio natural era más rico en el isótopo fisionable de vida más corta ²³⁵ U (alrededor del 3%), que el uranio natural disponible hoy (que es solo 0,7%, y debe enriquecerse al 3% para poder usarse en reactores de agua ligera).