La “pila” di Fermi

Come è nato il primo reattore nucleare
Enrico Fermi

Roberto Fieschi

Il due dicembre di settanta anni fa Enrico Fermi, a Chicago, con i suoi collaboratori, realizzò la prima reazione di fissione nucleare a catena, controllata, dell’uranio nell’apparato che in seguito prese il nome di “pila” di Fermi. Si trattava del primo prototipo di reattore nucleare, costruito, durante la seconda Guerra mondiale, nell’ambito del grande progetto per realizzare la bomba atomica.

Gli antecedenti

Nel 1933-34 lo stesso Fermi, con i suoi giovani collaboratori, fra i quali Edoardo Amaldi, nell’Istituto di Via Panisperna, bombardando un pezzo di uranio con neutroni rallentati, aveva realizzato la rottura del suo nucleo atomico in due nuclei di elementi più leggeri: quella che in seguito fu chiamata fissione nucleare. Ma l’interpretazione che Fermi diede ai risultati delle sue misure fu errata; infatti nel giugno, il famoso articolo di Fermi e del suo gruppo romano intitolava: “Possible Production of Elements of Atomic Number Higher than 92”  nel quale, non si parlava di fissione, ma, sia pure con molte cautele, si suggeriva l’ipotesi della creazione di elementi transuranici, ossia elementi chimici il cui nucleo avesse una carica elettrica maggiore di quella dell’uranio (oggi se ne è creati artificialmente oltre una ventina). Per i suoi lavori di radioattività artificiale indotta dai neutroni lenti, nonostante l’errore di interpretazione, allora ignoto, a Fermi nel 1938 venne assegnato il Premio Nobel. Enrico Fermi con l’intera famiglia aveva lasciato definitivamente Roma il 6 dicembre 1938, diretto a Stoccolma, quindi a New York, per sfuggire alle leggi razziali, essendo la moglie Laura ebrea.

La scoperta definitiva della fissione dell’uranio avvenne nel 1939. Otto Hahn e Fritz Strassmann all’Istituto Kaiser Wilhelm di Chimica a Berlino, cercando dei transuranici in un campione di uranio bombardato con neutroni, trovarono invece tracce di elementi  più leggeri e conclusero che si trattava di una “esplosione” (in seguito chiamata fissione) del nucleo di uranio in nuclei atomici di peso intermedio. I risultati  vennero pubblicati sulla rivista Die Naturwissenschaften del 6 gennaio 1939. Il neutrone rallentato viene assorbito dal nucleo di U235 che diventa instabile e si spezza in due nuclei di massa intermedia; nella reazione vengono emessi anche alcuni neutroni.

Otto Hahn (futuro Premio Nobel proprio per questa scoperta) non poteva purtroppo più contare in quei giorni sul consiglio di Lise Meitner, una fisica austriaca che lavorava con lui fin dal 1935, ma che essendo ebrea, aveva dovuto lasciare la Germania sin dal luglio 1938, rifugiandosi a Stoccolma dove aveva ripreso la sua attività di ricerca. La Meitner e il nipote  Otto Frisch, fisico anch’egli, esule da Vienna, nell’Istituto di Niels Bohr a Copenhagen, giunsero alla conclusione che si trattava della scissione del nucleo di U in due frammenti di massa intermedia, liberando una grande quantità di energia, dell’ordine di 200 MeV per ogni fissione. Questo significa che la fissione di un solo grammo di U235 produce una quantità di energia 2.800.000 volte più grande di quella che si ottiene bruciando un grammo di carbone.

Un'illustrazione della "pila" di Fermi

I frammenti di fissione non sono gli unici prodotti del bombardamento neutronico dell’uranio; devono essere emessi anche dei neutroni secondari; se questi neutroni fossero  in numero maggiore di uno sarebbe possibile una reazione a catena con produzione di energia e, forse anche, in certe condizioni, addirittura in forma esplosiva; infatti ognuna di queste particelle, se assorbita da un altro nucleo di uranio, darebbe luogo a una nuova fissione e ad altri neutroni, e così via. Negli Stati uniti e in Europa vari gruppi di ricercatori si precipitarono a misurare il numero di neutroni secondari emessi in ogni fissione, ottenendo che tale numero era sufficiente a rendere possibile la reazione a catena, ossia una reazione in cui i neutroni liberati nella fissione di un nucleo di uranio  rompono altri nuclei generando altri neutroni, e così via senza  fine,  con liberazione di energia.

La costruzione della pila

Fermi alla Columbia University, in collaborazione con Leo Szilard, progettò, per realizzare la reazione a catena controllata, una struttura  costituita da blocchetti di uranio immersi in mattoni di grafite. La grafite era necessaria per rallentare i neutroni in modo da rendere più probabile la loro cattura da parte del nucleo di uranio 235 (l’isotopo leggero, quello responsabile della fissione); doveva essere molto pura, per evitare che le impurezze catturassero i neutroni rendendo impossibile la reazione a catena. Inizialmente non era nemmeno chiaro che queste ricerche avessero un immediato interesse militare; la situazione mutò quando si scoprì che un nuovo elemento, il plutonio (Pu), transuranico, aveva anch’esso la capacità di dar luogo alla fissione, e che tale elemento poteva essere generato nella reazione a catena; la pila a uranio-grafite di Fermi poteva costituire la soluzione del problema di realizzare un esplosivo potentissimo. Il plutonio fu poi l’esplosivo nucleare della seconda bomba, quella sganciata su Nagasaki il nove agosto 1945. Da questo punto in poi le ricerche alla Columbia acquistarono un interesse militare.

Nel febbraio del 1940, arrivarono a Fermi 6.000 dollari (fondo che fu poi incrementato nel Progetto Manhattan) destinati all’acquisto di 4 tonnellate di grafite, impiegata inizialmente alla misura dell’assorbimento dei neutroni; risultò che la grafite sarebbe stata compatibile con una reazione a catena con l’uranio naturale (cioè senza bisogno di arricchirlo nella componente di U235, come oggi accade in quasi tutti i reattori nucleari esistenti). Il 24 gennaio ’42 fu deciso di concentrare ogni attività afferente al progetto Pila-Pu all’Università di Chicago, con il nome convenzionale di Laboratorio Metallurgico (Met Lab). A Fermi furono messi a disposizione vasti locali, prima utilizzati per il gioco dello squash, ubicati sotto le gradinate occidentali dello stadio (Stagg Field) dell’Università.

Il successo

L’assemblaggio della pila cominciò il 6 novembre 1942. Fermi organizzò il lavoro su due squadre: una, per il turno di giorno diretta da Walter Zinn , l’altra, per il turno di notte, sotto la guida di Herbert Anderson, futuro premio Nobel. L’enorme pila di uranio e grafite era alta circa 30 piedi. Nella pila erano praticati dei fori, nei quali venivano collocate sbarre verticali di cadmio per controllare  l’andamento della reazione e per garantire la sicurezza; il cadmio infatti ha la proprietà di assorbire i neutroni e quindi rallenta la reazione e può bloccarla.

Lise Meitner

La configurazione finale prevista fu raggiunta dallo staff di Anderson nella notte dell’uno dicembre: finite le misure e sistemati i soliti lucchetti, quella notte se ne andarono a casa a dormire. Si giunse così al fatidico 2 dicembre. Così scrisse Anderson:  “La mattina dopo, 2 dicembre, sul presto dissi a Fermi che tutto era pronto ed egli ne assunse la direzione. Fermi aveva predisposto una sequenza di operazioni per il raggiungimento della criticità. L’ultima barra di Cd venne estratta a mano, segmento per segmento; ad ogni arresto si misurava l’attività neutronica e Fermi confrontava i risultati con le previsioni basate sulle misure precedenti; quando si arrivò all’ultimo segmento Fermi era certo che la criticità sarebbe stata allora raggiunta. Infatti quando la barra di Cd fu del tutto estratta, la pila divenne critica e la prima reazione a catena autosostenentesi ebbe luogo”. La pila venne lasciata funzionare per ventotto minuti a una potenza massima di 2 watt.

The italian navigator has landed on the new world.

Con queste parole Arthur Compton, il fisico Chairman del Comitato per la valutazione dell’uso dell’energia atomica e responsabile del Met Lab, il 2 dicembre 1942 salutò il funzionamento del primo reattore nucleare con il quale, per la prima volta al mondo, è stata prodotta energia grazie a una reazione nucleare a catena autosostenentesi.

Per festeggiare fu stappato un fiasco di Chianti e il vino fu servito in bicchieri di carta; ho letto che al festeggiamento parteciparono tutti i 42 scienziati e tecnici del gruppo; certo non si sbronzarono.

Verso la bomba

Il successo aprì la strada alla costruzione del grande impianto di Hanford, all’inizio del 1943, sulle rive del fiume Columbia, nello Stato di Washington.
La costruzione del complesso fu affidata alla Du Pont, colosso americano dell’industria chimica, la quale impiegò circa 42.000 operai per la sola costruzione di tre reattori nucleari per la produzione del plutonio e quattro impianti per la separazione del plutonio dagli altri prodotti derivanti dalla reazione a catena. Il plutonio purificato, materiale fissile, fu utilizzato per la bomba sperimentata il 16 luglio 1945 ad Alamogordo, con il nome in codice di Trinity Test, e per quella sganciata su Nagasaki 24 giorni dopo. La bomba esplose a un’altezza di 550 metri sulla città e sviluppò una potenza di 25  chilotoni, una potenza dunque molto più elevata di quella della bomba “Little Boy” che esplose tre giorni prima su  Hiroshima

Gli impianti di Hanford smisero i produrre plutonio nel 1987, ma tutta la zona, a causa delle scorie nucleari, ora nella fase terminale di smantellamento, resta una delle più inquinate degli Stati Uniti, anche se non tanto inquinata quanto le zone dove l’Unione sovietica sviluppò in seguito le sue armi nucleari.

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