En julio de 1939, Szilard convenció al economista Alexander Sachs de la necesidad de la iniciativa decidida de Estados Unidos en las aplicaciones militares de la fisión, con el fin de contrarrestar los avances alemanes. Szilard pidió a Einstein que escribiera una carta al presidente Roosevelt esbozando los peligros y las oportunidades de la fisión.
La carta se preparó, con la contribución de Edward Teller y Eugene Wigner, el 2 de agosto de 1939. Sachs presentó a Roosevelt la carta y un documento técnico de Szilard el 11 de octubre de 1939, y el Presidente creó de inmediato un Comité Asesor sobre el Uranio (ACU) bajo la presidencia del científico del gobierno Lyman J. Briggs.
Imagen a la derecha: A. Einstein y L. Szilard en agosto de 1939. Debajo: la carta original de Einstein-Szilard.
Una traducción aproximada de la carta de Einstein a Roosevelt se presenta a continuación:
Albert Einstein
Old Grove Rd.
Nassau Point
Peconic, Long Island
2 de agosto de 1939
F.R. Roosevelt
Presidente de los Estados Unidos
Casa Blanca
Washington, D.C.
Trabajos recientes de E. Fermi y L. Szilard, que me han sido comunicados mediante manuscritos, me hacen a esperar que el elemento uranio puede convertirse en una nueva e importante fuente de energía en un futuro inmediato. En esta situación han surgido algunos aspectos que parecen requerir mucha atención y, si fuera necesario, la rápida acción por parte de la Administración. Creo, por tanto, que es mi deber llamar su atención sobre los siguientes hechos y recomendaciones:
En el curso de los últimos cuatro meses se ha hecho probable —a través del trabajo de Joliot en Francia como también de Fermi y Szilard en América— que podría ser posible el iniciar una reacción nuclear en cadena en una gran masa de uranio, por la que se generaría una enorme cantidad de potencia y nuevos elementos parecidos al radio en grandes proporciones. Ahora parece casi seguro que esto podría lograrse en el futuro inmediato.
Este nuevo fenómeno conduciría también a la construcción de bombas, y es concebible --aunque con mucha menor certeza-- que por tanto puedan construirse bombas extremadamente poderosas de un nuevo tipo. Una sola bomba de ese tipo, transportada en barco y hecha explotar en un puerto, podría muy bien destruir el puerto por completo junto con el territorio que lo rodea. Sin embargo, podría ocurrir que tales bombas fueran demasiado pesadas para transporte aéreo.
Los Estados Unidos tienen mineral de uranio de poco valor y en cantidades moderadas. Hay muy buen mineral en Canadá y en la antigua Checoslovaquia, mientras que la fuente más importante de uranio es el Congo Belga.
En vista de esta situación puede considerar deseable mantener contacto permanente entre la Administración y el grupo de físicos que están trabajando en reacciones en cadena en América. Una posible forma de lograrlo sería que encomendara esta tarea a una persona de su entera confianza, quien podría tal vez hacer este servicio de manera extraoficial.
Sus tareas podrían incluir las siguientes:
a) Estar en contacto con los Departamentos del Gobierno, manteniéndolos informados de los próximos desarrollos,
y hacer recomendaciones para las actuaciones de Gobierno, poniendo particular atención al problema de asegurar
el suministro de mineral de uranio para los Estados Unidos.
b) acelerar el trabajo experimental, que en estos momentos se efectúa con los presupuestos limitados de
laboratorios universitarios, mediante la provisión de fondos, si esos fondos fueran necesarios, mediante sus
contactos con particulares que estuvieran dispuestos a hacer contribuciones para esta causa, y quizá también
logrando la cooperación de laboratorios industriales que tuvieran el equipo necesario.
Tengo entendido que Alemania actualmente ha parado la venta de uranio de las minas de Checoslovaquia, que ha invadido. Que haya tomado tan pronto acción podría quizá entenderse en base a que el hijo del Subsecretario de Estado Alemán, von Weizäcker, está adscrito al Instituto Kaiser Wilheln de Berlín, donde algunos de los trabajos americanos sobre el uranio están siendo duplicados.
Su entero servidor,Los esfuerzos de Fermi en Nueva York para producir una reacción en cadena con uranio natural y un moderador de grafito se consideran prioritarios, junto con estudios sobre la separación del isótopo 235U en varios laboratorios de investigación. En Berkeley, Glenn Seaborg descubrió el elemento 94 (plutonio) en febrero de 1941, y sus propiedades de fisión fueron estudiadas por él mismo y Emilio Segrè. Su uso como una alternativa al 235U se convirtió en una importante opción.
En junio de 1941, Vannevar Bush convence a Roosevelt de la necesidad de que los científicos tomen parte en las actividades de defensa y en el desarrollo de nuevas armas. Se crea así la Oficina de Investigación Científica y Desarrollo (OSRD), que depende directamente del Presidente. El ACU se pone bajo el control de la OSRD con el nuevo nombre de 'Sección S-1'. Se alienta la participación de la industria en la producción de plantas piloto y se establece un control político más estricto de la investigación.
Imagen arriba: Los líderes científicos del proyecto S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannebar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton y Alfred L. Loomis (Berkeley, 20 de marzo de 1940).El 9 de octubre de 1941, V. Bush presenta a Roosevelt y al vicepresidente Henry A. Wallace el informe MAUD, puesto a disposición por los británicos. Roosevelt concede a Bush plena autoridad para investigar si se puede construir una bomba, y a qué precio, proporcionando la financiación necesaria mediante fondos especiales presidenciales. Fue necesario mantener un estricto secreto, así como definir con precisión los detalles de la colaboración con el Reino Unido. Estos hechos fueron de gran importancia para poder fabricar la bomba.
La colaboración tuvo sus dificultades, generadas por la parte que parecía estar más avanzada en la investigación nuclear en un momento dado. En 1941 los británicos limitaron la información a los estadounidenses, y en 1942 se negaron a incluir un equipo británico en el programa. Los problemas se vieron agravados por la presencia de los científicos franceses en el proyecto del Reino Unido y por la política de patentes. En enero de 1943 se interrumpe la comunicación completamente. La colaboración se reanudó con el 17 de agosto 1943 gracias al acuerdo trilateral de Quebec entre Canadá, Reino Unido y EE.UU. El Reino Unido detuvo su proyecto de desarrollo de la bomba y sus científicos se unieron al equipo de Estados Unidos, previa garantía del libre intercambio de información y derecho de veto sobre el uso de la bomba por cada una de las partes.
Cuando los EE.UU. entraron en guerra en diciembre de 1941, el programa nuclear de Estados Unidos recibió el más alto nivel de recursos, sin ningún tipo de limitaciones presupuestarias.
Arthur Compton en Chicago fue el artífice de lograr la primera reacción en cadena para la producción de plutonio, Ernest Lawrence Berkeley de la separación isotópica electromagnética del 235U usando ciclotrones especialmente diseñados a tal efecto. Harold Urey de la separación isotópica a través de centrifugadoras y difusión gaseosa.
En septiembre de 1942 el general Leslie Groves es nombrado jefe militar del proyecto, ahora llamado 'Distrito de Ingeniería Manhattan "(MED), quien inmediatamente asigna la máxima prioridad a la obtención de los materiales necesarios y selecciona un área de unos 230 kilómetros cuadrados en Tennessee (Oak Ridge) para la construcción de los laboratorios dedicados a la producción de los materiales fisibles.
Imagen a la derecha: Mapa del complejo Oak Ridge construido para la producción de materiales fisibles. En pocos meses esta zona rural vivió la construcción, además de enormes laboratorios, de una ciudad con una población de 13.000 habitantes, y una red vial pavimentada de 500 kilómetros. Durante el año siguiente, la ciudad llegó a alcanzar 42.000 habitantes.Los experimentos de Enrico Fermi con uranio natural de mayor calidad rodeado de bloques de grafito (apilados, de ahí el nombre de "pila atómica") le hicieron confiar en alcanzar una reacción en cadena controlada "automantenida". El 16 de noviembre 1942 comenzó la construcción de una pila de demostración (CP1) en Chicago, con la participación de Wigner en los cálculos teóricos.
CP1 se desmonta inmediatamente y los materiales se recuperaron para una pila más grande, CP2, en el nuevo laboratorio en el bosque de Argonne cerca de Chicago.
Imagen de la izquierda: West Stands del Estadio Stagg de la Universidad de Chicago bajo la cual se construyó el CP1.
El método de separación electromagnética se basa en el principio de que los objetos cargados se aceleran cuando se someten a un campo magnético. Los iones más pesados se desvían en menor medida que los iones más ligeros. Disponiendo colectores apropiadamente se puede aprovechar esta separación.
El método de difusión se basa en el hecho de que las moléculas más ligeras en un gas tienen una velocidad media más alta que las moléculas más pesadas. Si se dispone un gas comprimido de un compuesto de uranio para su difusión a través de una barrera porosa, las moléculas de 235U levemente más ligeras tienen probabilidad mayor de escapar a través de orificios (con un diámetro de una fracción de micrómetro). A continuación, el gas emergente, ligeramente enriquecido con el isótopo deseado (3 partes por 1000) se vuelve a comprimir y se repite el proceso. En la planta de Oak Ridge, en 1945, la superficie total de la barrera de separación llegó a miles de metros cuadrados y produjo uranio enriquecido hasta el 10%.
La imagen de arriba a la derecha: Diagrama esquemático del flujo de gas en una cascada de difusión.Para el diseño real de la bomba, J. Robert Oppenheimer, director científico del MED, decidió reunir a todos los científicos y expertos técnicos necesarios en un nuevo laboratorio secreto, que fue construido en Los Álamos, una meseta apartada en Nuevo México, durante el invierno de 1942-1943. En marzo de 1943, en el laboratorio bajo responsabilidad de la Universidad de California, comenzó la investigación básica para producir "un arma militar práctica". Varios equipos de investigación fueron trasladados desde todo EE.UU.: el ciclotrón de Harvard, dos aceleradores de Van de Graaff de Wisconsin, uno de Cockcroft-Walton de Illinois, etc. La población de Los Álamos se vio duplicada cada 9 meses, para llegar a más de 5.000 habitantes en 1945.
A pesar de las limitaciones militares, Oppenheimer logró mantener el estilo de una institución científica y hacer un trabajo de investigación gratificante. La vida allí era difícil, pero apasionante y el contacto con los científicos con experiencia permitió a los físicos jóvenes adquirir habilidades vitales.
La producción de plutonio comienza cuando el 238U absorbe un neutrón en un reactor nuclear que funciona con neutrones lentos. Tras la experiencia con el prototipo de pila CP1 y CP2, varias empresas industriales construyeron tres grandes reactores en un nuevo centro secreto en Hanford (Washington) y otro en Oak Ridge.
La investigación sobre las propiedades químicas, físicas y metalúrgicas del nuevo material prosiguieron en Los Álamos en cuanto se entregó el plutonio, la primera vez en cantidades del orden del gramo y, a partir de la primavera de 1945, en cantidades sustanciales, suficientes para la producción de tres bombas.El 3 de julio de 1945 se completó la bomba de 235U llamada “Little Boy” en los Álamos. El material fisible había sido enriquecido al 86 % para tres masas críticas, cada una de unos 60 kg. Su detonación estaba basada en la técnica cañón, utilizando un cañón de 180 cm y de 453 kg de peso.
Little Boy tenía tres metros de largo y 70 cm de diámetro, lo suficientemente pequeño para caber en el compartimiento de bombas de un bombardero B-29 y un peso total de 4000 kg. Los científicos tenían confianza total en que funcionaría y por eso no fue necesario una prueba preliminar.
La bomba de plutonio “Fat Man” tenía un núcleo de plutonio que pesaba aproximadamente 6.1 kg y requería su detonación con la técnica de implosión, utilizada para evitar la predetonación y empleando aproximadamente 2300 kg de explosivo de alta potencia. El núcleo, el reflector de uranio, y los explosivos se mantenían en su posición mediante de una esfera de metal construida con 12 secciones pentagonales. El arma tenia aletas estabilizadoras y una cubierta externa en forma de huevo de 150 cm de diámetro. “Fat Man” tenía 365 cm de largo y pesaba 4900 kg.
Imagen: La bomba “Fat Man”, durante su preparación en Tinian (Las Marianas) antes de ser lanzada sobre Nagasaki.La técnica de implosión era completamente nueva y los test preliminares no inspiraban la suficiente confianza sobre infalibilidad absoluta del método.
Por esta razón cuando hubo suficiente plutonio disponible, se realizó una prueba de una bomba completa en Alamogordo, en el desierto de Nuevo México, en el lugar conocido como Trinity. La prueba se efectuó a mediados de julio de 1945.
La eficiencia de la bomba fue estimada en un 17 % y la explosión liberó una energía equivalente a 22 kt. La prueba permitió el análisis de algunos detalles técnicos, pero el objetivo principal fue experimentar los efectos de una explosión nuclear.Ninguno de los testigos estaba preparado para el evento real: el flash de luz inicial y la bola de fuego sin sonido, seguido por el calor silencioso de la luz y simultaneo golpeteo en las mejillas, hasta la onda expansiva que se desplazaba a través del suelo del desierto y la nube de cenizas formando la forma ominosa del hongo nuclear.
Foto derecha: La bola de fuego inicial de la primera explosión nuclear en la tierra el 16 de julio de 1945.
Sin embargo, el fenómeno principal es el mismo. La gran cantidad de energía liberada en tan corto tiempo calienta los materiales a temperaturas del orden de varias decenas de millones de grados y se alcanzan presiones del orden de millones de veces la presión atmosférica. Se irradia gran cantidad de energía en forma de rayos X, que son absorbidos por el aire, lo que conduce a la formación de una masa de aire extremadamente caliente e incandescente. Esta bola de fuego crece en tamaño y asciende disminuyendo su temperatura. Un minuto después de la explosión la emisión de luz se detiene, y la nube alcanza unos 7 km de altitud.
La secuencia de fotos de la izquierda, muestra los 4 primeros segundos de la evolución de la bola de fuego durante la prueba Trinity.A comienzos de 1945 estaba ya claro que los aliados iban a ganar la guerra tanto en Europa como en el Pacífico. Varios científicos comenzaron a discutir las implicaciones sociales y políticas de la energía nuclear y las consecuencias de utilizar la bomba. En junio de 1945 un informe de James Frank sugería advertir a Japón y demostrar la potencia de la bomba en una zona deshabitada, teniendo en cuenta los efectos devastadores de la misma. Se creo un panel científico integrado por Compton, Fermi, Lawrence y Oppenheimer, con la finalidad de asesorar al Comité Interino, y que informó los puntos de vista de los científicos.
En la mañana del 6 de agosto de 1945 a las 8:15 a.m., “Little Boy” fue lanzado sobre Hiroshima, explotando a 580 m sobre la ciudad liberando una energía estimada entre 12 y 15 kt. El 9 de agosto de 1945 a las 11:02 a.m., “Fat Man” explotó sobre Nagasaki, liberando una energía superior a las 22 kt. Las dos ciudades fueron destruidas, con más de 100 000 muertes y más de 100 000 heridos. Japón se rindió, y la Segunda Guerra Mundial llegó a su fin. La decisión de lanzar la bomba estuvo motivada tanto militarmente como políticamente, en primer lugar para evitar un gran número de víctimas estadounidenses en una posible invasión al Japón y para acabar la guerra antes de que la Unión Soviética pudiera expandirse en el área del Pacífico.
Foto del Coronel Paul W. Tibbets, Jr. en el bombardero B52 “Enola Gay” antes del despegue hacia Hiroshima.Después de la guerra, las perspectivas de la energía nuclear civil y militar empezaron a ser examinadas. El nuevo presidente de los Estados Unidos, Harry S. Truman, creó un Comité Interino para decidir sobre el uso de las armas y sobre cómo dar forma a un programa nuclear para el futuro. Entre las decisiones a tomar estaba la de proceder con la colaboración internacional o seguir una política de monopolio americano.
Sin embargo, la Segunda Guerra Mundial fue un punto de inflexión en las relaciones entre científicos y gobiernos. Los científicos no sólo inventaban y construían nuevas armas, también las promovían y participaban activamente en las decisiones sobre cómo y cuándo usarlas, convirtiéndose en socios de pleno derecho en el proceso de creación de políticas.
A pesar del desastre humano, el éxito militar y político de la bomba atómica y la perspectiva económica de la energía nuclear dieron visibilidad y poder a la comunidad científica en todo el mundo. El Reino Unido, Rusia y Francia necesitaban científicos para crear sus propios arsenales nucleares. En los Estados Unidos, los físicos obtuvieron un gran apoyo financiero y fueron capaces de conseguir, en contra de los deseos del aparato militar, la responsabilidad de controlar el desarrollo de la energía nuclear. En los Estados Unidos, la política de energía nuclear fue delegada a la Comisión de Energía Atómica, un organismo bajo control civil.
