Las primeras pilas atómicas

Poco después de que se anunciara el descubrimiento de la fisión nuclear en 1939, los artículos de prensa que informaban del descubrimiento mencionaron la posibilidad de que una reacción en cadena de fisión pudiera ser explotada como fuente de energía. La Segunda Guerra Mundial, sin embargo, comenzó en Europa en septiembre de ese año, y los físicos en investigación de fisión volvieron sus pensamientos a usar la reacción en cadena en una bomba atómica. En los Estados Unidos, el Pres. Franklin D. Roosevelt fue persuadido por una carta de Albert Einstein para iniciar un proyecto secreto dedicado a este propósito. El Proyecto Manhattan incluía trabajos de enriquecimiento de uranio para adquirir uranio-235 en altas concentraciones y también investigaciones sobre el desarrollo de reactores. El objetivo era doble: aprender más sobre la reacción en cadena para el diseño de bombas y desarrollar un método para producir un nuevo elemento, el plutonio, que se esperaba que fuera fisible y pudiera aislarse químicamente del uranio.

El desarrollo del reactor se puso bajo la supervisión del físico nuclear experimental líder de la época, Enrico Fermi. El proyecto de Fermi comenzó en la Universidad de Columbia y se demostró por primera vez en la Universidad de Chicago, centrado en el diseño de un reactor moderado por grafito. El 2 de diciembre de 1942, Fermi informó haber producido la primera reacción en cadena auto-sostenible. Su reactor, más tarde llamado Chicago Pile No. 1 (CP-1), estaba hecho de grafito puro en el que se cargaban babosas de metal de uranio hacia el centro con grumos de óxido de uranio alrededor de los bordes. Este dispositivo no tenía sistema de refrigeración, ya que se esperaba que funcionara con fines puramente experimentales a muy baja potencia (aproximadamente 10 kilovatios de energía térmica). El CP-1 fue posteriormente desmantelado y reconstruido en un nuevo laboratorio en los suburbios de Chicago, la sede original de lo que ahora es el Laboratorio Nacional Argonne. El dispositivo siguió funcionando como reactor de investigación hasta que finalmente fue dado de baja en 1953. (Véase la tabla que enumera los primeros reactores nucleares notables.)

Tras el exitoso experimento CP-1, se elaboraron rápidamente planes para la construcción de los primeros reactores de producción (para producir el plutonio que se utilizará en la bomba atómica). Estos fueron los primeros reactores de Hanford, Washington, que eran dispositivos refrigerados por agua, alimentados con uranio natural y moderados por grafito. Como proyecto de respaldo, se construyó un reactor de producción de diseño refrigerado por aire en Oak Ridge, Tennessee. Cuando las instalaciones de Hanford resultaron exitosas, este reactor se completó para servir como el reactor X-10 en lo que ahora es el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. El primer reactor de investigación con combustible enriquecido se completó en Los Álamos, Nuevo México, en 1944, cuando el uranio 235 enriquecido estaba disponible para fines de investigación. Todos estos esfuerzos culminaron en Trinity, la primera prueba de un artefacto explosivo atómico, que tuvo lugar el 16 de julio de 1945 en Alamogordo, Nuevo México.

Incluso antes de la guerra, se había reconocido que el agua pesada era un excelente moderador de neutrones y podía emplearse fácilmente en el diseño de un reactor. Durante el Proyecto Manhattan, esta posible característica de diseño fue asignada a un equipo de investigación canadiense, ya que las instalaciones de producción de agua pesada ya existían en Canadá. A finales de 1945, poco después del final de la guerra, el proyecto canadiense logró construir un reactor de investigación de uranio natural moderado por agua pesada, el llamado ZEEP (Pila Experimental de Energía Cero), en Chalk River, Ontario.

Debido a la falta de información sobre las técnicas de separación de uranio-235, los primeros esfuerzos británicos, que tuvieron lugar después de la guerra, se centraron en el uso de uranio natural como combustible. En 1947 se construyó el GLEEP (Pila Experimental de Grafito de Baja Energía), un reactor refrigerado por aire con moderador de grafito y combustible metálico de uranio revestido de aluminio, que fue crítico en Harwell, Berkshire, Inglaterra, generando 100 kilovatios de energía térmica. Al año siguiente, un reactor francés de potencia similar, conocido como EL-1 (para «agua pesada 1») o Zoé (para «energía cero, óxido de uranio, agua pesada»), fue construido en Châtillon, cerca de París. El reactor francés también utilizó uranio no enriquecido en su combustible.

En 1943, la Unión Soviética comenzó un programa formal de investigación para crear una reacción de fisión controlada, explorar la separación de isótopos e investigar diseños de bombas atómicas. Después de la guerra, el programa comenzó a hacer un progreso significativo hacia el diseño de un arma de fisión; en tándem, los reactores se diseñaron con el propósito de producir plutonio apto para armas. La primera reacción en cadena soviética tuvo lugar en Moscú a finales de 1946, utilizando una pila experimental de uranio natural moderado por grafito conocida como F-1. El primer reactor de producción de plutonio entró en funcionamiento en el complejo Chelyabinsk-40 en los Montes Urales de Rusia en 1948.