Chicago Pile-1: Enrico Fermi y la era atómica (energía nuclear)

Fermi, fisión nuclear

Energía nuclear. En el otoño de 1942 acudieron a Goodyear clientes que querían una especie de globo aerostático, como los que la compañía americana había empezado a producir unas décadas antes y que también se utilizaban para dirigibles. Simplemente no lo querían esférico o redondeado en ningún caso, sino cúbico.

Parece que los técnicos de Goodyear quedaron bastante perplejos. Probablemente se preguntaron «¿Cómo volaría un globo cúbico?», tal vez tratando de convencer a los compradores de que cambiaran de opinión. En realidad, a esos clientes no les importaba el vuelo. De hecho, procedían de la Universidad de Chicago y trabajaron en el proyecto ultrasecreto liderado por Enrico Fermi para el desarrollo de la primera reacción de fisión nuclear en cadena, conocida como Chicago Pile-1.

No pretendían volar…

Es comprensible, por tanto, que no pudieran dar demasiados detalles sobre los motivos de su compra, que no sólo no habría tenido que volar nunca por los cielos, sino que sí habría permanecido en un espacio subterráneo para hacer de carcasa que contuviera a los aproximadamente 45.000 bloques de grafito y las 50 toneladas entre óxido de uranio y uranio metálico que componían la pila.

Pila que entró en funcionamiento hace exactamente 80 años. A las 15:25 del 2 de diciembre de 1942, 23:25 en Italia, en un laboratorio ubicado debajo de las gradas del estadio de fútbol americano Stagg Field de la Universidad de Chicago -no utilizado en ese momento- el mundo estaba aprendiendo a dominar la energía de fisión nuclear gracias a la aportación fundamental del físico italiano. Menos de tres años después, esa energía sería explotada trágicamente en las bombas atómicas de Hiroshima y Nagasaki y, tras la guerra, con fines pacíficos en los reactores de fisión que hoy producen cerca del 10% de la electricidad a escala mundial.

Enrico Fermi y la idea de América

A simple vista parecería que Enrico Fermi decidió aterrizar en los Estados Unidos de América únicamente por una cuestión de financiación otorgada a universidades e institutos de investigación. Ciertamente, en los albores del siglo XX, el mundo científico era un hervidero. Consolidada, en las dos primeras décadas, lo que se denomina vieja teoría cuántica, los conceptos de la mecánica cuántica fueron tomando forma a partir de la segunda mitad de la década de 1920. Descubrimientos científicos uno tras otro y la mente humana proyectada a la investigación despiadada de lo infinitamente pequeño.

El instituto de Via Panisperna, en el corazón de Roma, dirigido por Enrico Fermi y con colaboradores de la talla de Segrè, Amaldi, Pontecorvo, Majorana, Rasetti, D’Agostino, necesitaba equipos carísimos para seguir compitiendo al más alto nivel en investigación. Sondear la radiactividad de los elementos con la correcta intuición de bombardear núcleos con neutrones requería la necesidad de contar con un acelerador de partículas capaz de generarlas en haces de energía adecuada y de alta intensidad.

Todo empezó con la radiactividad artificial

El proceso científico que condujo al resultado del 2 de diciembre comenzó unos quince años antes, en 1926, con la convocatoria de Fermi por parte de la Universidad de Roma a la primera cátedra italiana de física teórica. Allí Fermi dio origen al grupo de chicos de Via Panisperna y dirigió sus investigaciones sobre la física nuclear, que allí estaba surgiendo gracias al trabajo de muchos físicos europeos. Estimulado por el descubrimiento de la radiactividad artificial realizado por Irène Curie y Fréderéric Joliot, Fermi realizó a mediados de la década de 1930 una serie de innovadores experimentos que le valieron el Premio Nobel de Física en 1938. Un año que terminó con dos hechos que habrían sido fundamentales por lo que pasó en Chicago hace 80 años.

energía nuclear

Contexto histórico

A pesar de los importantes fondos otorgados por el Estado al Instituto, estos no les permitieron hacerse con aceleradores de partículas compatibles con los objetivos de los chicos de Via Panisperna. El estado, efectivamente. Porque descuidar la huella sociopolítica italiana de los años 30 sería un error lógico muy grave. La ruptura radical consumada por el movimiento reaccionario liderado por Benito Mussolini en la década anterior sobre una Italia devastada por la Primera Guerra Mundial.

El dominio indiscutible del Partido Nacional Fascista y la afinidad ideológica con el Partido Nacionalsocialista de los Trabajadores Alemanes de Adolf Hitler cuando tomó el poder en una Alemania furiosa en 1933. Las perspectivas de conversaciones diplomáticas se derrumbaron comprensiblemente bajo la erosión de las fricciones seculares mal disimuladas de conflictos y proyectos de futuro de los nuevos dictadores. Este es el escenario europeo arraigado donde la ciencia se erige como una catedral en el desierto. La gota que colmó el vaso fue, para Enrico Fermi, la promulgación de las leyes raciales en 1938, que vio a Laura Capon, su esposa judía, entre las directamente afectadas.

Nochebuena, día clave para viajar

En Nochebuena, Fermi y su familia se embarcaron en el transatlántico Franconia rumbo a Estados Unidos, obligados a abandonar Italia por las leyes raciales del fascismo. Un navío que, por cierto, navegó varias veces por las aguas revueltas de la Segunda Guerra Mundial: trayendo a Estados Unidos al físico que habría sido uno de los protagonistas del Proyecto Manhattan, transportando tropas británicas a varios frentes de guerra y acogiendo a Churchill y a los británicos delegación en 1945 durante las conversaciones de Yalta. Y siempre durante el período navideño Lise Meitner, brillante física austriaca que, siendo judía, había tenido que huir de Alemania a Suecia.

Enrico Fermi, Laura y Niels Bohr aterrizaron en Nueva York el 2 de enero de 1939. Así comenzó la colaboración con la Universidad de Columbia donde Fermi trabajaría como parte del equipo de investigación nuclear. Tras el descubrimiento de los alemanes O. Hahn y F. Strassmann sobre la naturaleza fisionable y/o fisionable de los elementos pesados, Fermi se lanzó de lleno al estudio de la economía neutrónica en las reacciones de fisión de los distintos isótopos del uranio.

energía nuclear

La pila atómica

Fermi confirmó la hipótesis planteada por L.Szilard en 1933, sobre la posibilidad de tener una serie de reacciones nucleares en cadena. La fisión del isótopo U 235 genera una media de 2,8 neutrones rápidos, de energía entre 10 k eV y 10 MeV. Adecuadamente termalizado (ralentizado) a través de la disipación de calor en colisiones con los núcleos del moderador, aumenta la probabilidad de causar la fisión de otros núcleos de U 235. Posponiendo el estudio de la dinámica de las reacciones de fisión nuclear para un artículo futuro, bastará aquí para constatar que a los investigadores se les apareció la posibilidad de construir una pila que albergara tales cadenas de reacciones autosostenidas.

Una reacción nuclear que, comparada con una reacción química común de combustión, liberaba una energía unas 10 millones de veces mayor y cuyo potencial militar se intuyó de inmediato tanto en Estados Unidos como en la Alemania nazi. Gracias también a las intuiciones de Fermi, el programa americano avanzó mucho más rápido y una etapa fundamental fue precisamente el desarrollo de la pila atómica.

De hecho, tiene lugar una reacción de fisión nuclear en cadena. La fisión del núcleo de uranio es inducida por la colisión de un neutrón con él. La desintegración del uranio produce núcleos más ligeros y más neutrones, en promedio entre dos y tres. Cuando se concentra una cantidad suficiente de uranio en un espacio limitado, se pueden alcanzar condiciones críticas, en las que por cada reacción de fisión, en promedio, al menos uno de los neutrones producidos provoca otra fragmentación. Dependiendo del nivel de criticidad, el proceso puede ser autosustentable y producir energía de forma controlada -como ocurre en los reactores civiles- o crecer exponencialmente y liberar repentinamente una enorme potencia, como ocurre en los dispositivos nucleares.

Chicago-Pila 1, energía nuclear

La pila estaba compuesta por 5,6 toneladas de uranio metálico y 36 toneladas de gránulos de óxido de uranio. Estos se alternaron con 350 toneladas de bloques de grafito con función moderadora y estructural. La única forma de controlar la reacción y lograr una actitud crítica, que indica el comienzo de la reacción autosostenida, es ajustando el recorrido de las barras de control en la pila.

La pila entra en funcionamiento el 2 de diciembre de 1942. A primera hora de la tarde alcanza un ajuste crítico y se apaga unos minutos más tarde reinsertando todas las barras de control. En aquel frío día de los tristes años de la Segunda Guerra Mundial, el navegante italiano llegaba al nuevo mundo. Pero bajo la epidermis de la investigación científica nuclear estadounidense acechaba el Proyecto Manhattan. Así, paralelamente a un uso ético de la energía nuclear para la producción de electricidad, asistimos a la inmovilización del plutonio en ojivas nucleares militares. Dos de ellos, Little Boy y Fat Man, primero redujeron a Hiroshima y luego a Nagasaki a polvo.

Alegría por el hallazgo que un poco más tarde pasó a ser una tragedia

A las 15:25 del 2 de diciembre, Chicago Pile-1 alcanzó la criticidad de manera totalmente controlada, demostrando la factibilidad del proceso. Eugene Wigner, uno de los físicos presentes, descorchó una botella de Chianti para celebrar el evento, en honor a los orígenes italianos de Fermi. Cuarenta y nueve científicos presentes firmaron el envoltorio de paja de la botella, que aún se conserva en la Universidad de Chicago. Pero -como recuerda Leona Woods, física que participó en el proyecto y entonces estudiante de veintitrés años- fue un brindis silencioso, porque, como declararía más tarde el propio Wigner, «sabíamos que estábamos a punto de liberar a un gigante«. Un gigante que en poco más de un par de años habría acabado con la Segunda Guerra Mundial al trágico coste de la destrucción de Hiroshima y Nagasaki.

La ciencia no tiene la culpa, sino el ser humano

Un aniversario, el del 2 de diciembre de 1942, por tanto lleno de significados: un gran experimento científico, que ha tenido un enorme impacto en la historia contemporánea. La historia no se puede hacer con «si», pero es probable que si Estados Unidos no hubiera construido la pila en Chicago, en algún momento la Alemania nazi podría haberlo logrado con éxito, con consecuencias fácilmente imaginables para el mundo.

Desvelar los secretos más íntimos de la materia ha sido uno de los mayores logros del intelecto humano y protagonista, con la Relatividad y la mecánica cuántica, de la enorme revolución en nuestra comprensión del mundo provocada por la física en el siglo XX. Hoy, gracias a la física nuclear, se curan enfermedades, se explora el cuerpo humano y se produce electricidad por fisión en reactores civiles sin liberar gases de efecto invernadero. No se trata de la ciencia, que ha hecho y seguirá haciendo enormes aportes al bienestar de la humanidad y que tantas veces ha sido instrumento de paz, sino del uso que se haga de sus resultados y de ese sentido de responsabilidad y discernimiento que nunca debe fallar a la humanidad.


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