“Il navigatore italiano è sbarcato nel nuovo mondo …”

ll 2 dicembre del 1942, a Chicago, Fermi realizza la prima pila nucleare (CP-I). Con questo dispositivo, per la prima volta nella storia, si riesce a produrre una reazione nucleare di fissione a catena controllata, utilizzando Uranio naturale come combustibile e grafite purissima come moderatore per rallentare i neutroni. Si tratta di un passo decisivo per lo sfruttamento dell’energia nucleare.

I partecipanti al progetto della pila nucleare di Chicago. Enrico Fermi è il terzo da sinistra, Arthur Compton il quinto

 “The italian navigator has landed in the new world…”

Il 2 dicembre del 1942, Enrico Fermi, presso l’impianto sportivo dismesso Stagg Field dell’Università di Chicago, riesce a produrre una reazione nucleare di fissione a catena autosostenuta e controllata, utilizzando Uranio naturale come combustibile e grafite purissima come moderatore per rallentare i neutroni.

Si tratta di un passo decisivo per lo sfruttamento dell’energia nucleare.

Erano presenti quel giorno 49 persone. Un fiasco di Chianti, firmato dai presenti, fu aperto per festeggiare l’avvenimento.

Il fiasco di Chianti, con le firme di alcuni dei presenti

Il fenomeno della fissione nucleare

Il fenomeno della fissione nucleare viene scoperto con metodi radio-chimici nel dicembre del 1938 da Otto Hahn e Fritz Strassmann a Berlino, mentre Enrico Fermi è in viaggio con la famiglia verso gli Stati Uniti dopo aver ricevuto il Premio Nobel 1938 per la Fisica a Stoccolma. In virtù di questo fenomeno, i nuclei di Uranio, sottoposti al bombardamento di neutroni lenti, possono subire una scissione in due frammenti più leggeri. Otto Hahn riceve il Premio Nobel 1944 per la Chimica (assegnato nel 1945) per questa scoperta.

 

Le successive ricerche, effettuate nei principali laboratori in tutto il mondo, che vedono coinvolto anche Fermi in America, permettono di chiarire le modalità del fenomeno. Nella fissione viene liberata una grande quantità di energia valutabile a circa 200 MeV per nucleo, da confrontare con i pochi eV per atomo nel corso di reazioni chimiche. Le energie coinvolte nella fissione nucleare sono quindi centinaia di milioni di volte più grandi di quelle chimiche.

L’isotopo dell’Uranio che subisce più facilmente la fissione da parte di neutroni lenti è il 235 (U-235, 235 U, con numero di massa A=235), presente solo nella percentuale dello 0.7% nell’Uranio naturale. Nel corso della fissione vengono liberati anche alcuni neutroni veloci.

Fin dal 1939 inizia la ricerca sulla possibilità di sfruttamento pratico dell’enorme energia coinvolta nelle fissioni nucleari.

Il problema dello sfruttamento pratico della fissione

La fissione nucleare svolge un ruolo marginale tra i fenomeni naturali spontanei. Eventuali neutroni presenti nei raggi cosmici possono certamente indurre fenomeni di fissione, per esempio sui nuclei 235 dell’Uranio naturale. Tuttavia i neutroni addizionali prodotti sono rapidamente assorbiti nei nuclei circostanti senza avere la possibilià di produrre nuove fissioni in modo apprezzabile, anche perché sono veloci.

Si tratta quindi di costruire opportuni dispositivi, chiamati “reattori”, in cui i neutroni addizionali prodotti possono essere opportunamente rallentati in modo da produrre nuove fissioni in una reazione a catena di tipo esponenziale autosostenuta, che poi deve essere opportunamente controllata. Per questo è necessario avere la disponibilità di grandi quantità di Uranio naturale, e di una cosiddetta sostanza “moderatrice” che abbia la capacità di rallentare i neutroni senza assorbirne troppi.

Il problema della reazione di fissione nucleare a catena autosostenuta e controllata è un problema formidabile, sia dal punto di vista scientifico sia da quello industriale e tecnologico. I neutroni prodotti devono essere rallentati, in modo da poter indurre altre fissioni, senza che siano persi in quantità eccessive. La perdita di neutroni avviene per assorbimento senza fissione sui nuclei di Uranio, o sui nuclei del moderatore, o per fuga verso l’esterno del reattore. Tutti questi fenomeni devono essere tenuti sotto controllo.

È interessante notare tuttavia che nel lontano passato la frazione di U-235 allora presente era molto più alta dell’attuale, a causa della differenza nella vita media dei due principali isotopi, U-238 e U-235, che ammonta a circa 4.5 miliardi di anni per il primo e a circa 700 milioni di anni per il secondo. Questo rendeva possibile l’innesco di una reazione a catena spontanea, moderata da acqua naturale.

In particolare, c’è evidenza che un reattore naturale a fissione abbia operato spontaneamente circa due miliardi di anni fa nel giacimento di Uranio di Oklo nel Gabon, Africa Occidentale. La scoperta è stata fatta dal Commissariato Francese per l’Energia Atomica (CEA) nel 1972.

La prova dell’esistenza di una reazione a catena spontanea nel giacimento di Oklo è basata su due fatti. Innanzitutto si constata un impoverimento del rapporto tra i due isotopi dell’Uranio, U-235/U-238, rispetto al valore corrente nei campioni terrestri. Inoltre c’è una distribuzione peculiare degli isotopi di alcuni elementi, detti “terre rare”, forti assorbitori di neutroni. Queste terre rare (che costituiscono un particolare gruppo di elementi metallici, più pesanti del Ferro, dotati di proprietà chimiche similari) sarebbero stati prodotti e “bruciati” dal grande flusso di neutroni generati nella reazione a catena naturale.

Si valuta che l’energia prodotta nel reattore nuleare naturale di Oklo sia stata di circa 100 miliardi di KWh, equivalente alla produzione globale di circa tremila anni di tutti i reattori industriali attualmente operanti in tutto il mondo.

L’acqua pesante come moderatore

La sostanza moderatrice, mescolata in modo opportuno con l’Uranio, deve provvedere a un rallentamento dei neutroni veloci prodotti, senza assorbirne troppi. Deve contenere quindi nuclei abbastanza leggeri, in modo che i neutroni possano perdere energia nel corso di urti elastici.

Tra i possibili moderatori acquistano importanza pratica l’acqua pesante e il Carbonio in forma di grafite.

Naturalmente il moderatore più efficace per il rallentamento sarebbe l’Idrogeno, che però assorbe troppo i neutroni incidenti formando Deuterio. L’Idrogeno pesante, il Deuterio, il cui nucleo è costituito da uno stato legato di neutrone e protone, ha invece una piccola “sezione d’urto”, ossia una piccola probabilità di assorbimento dei neutroni. L’Idrogeno pesante è prodotto sotto forma di acqua pesante D2O. Saranno presenti quindi anche nuclei di Ossigeno, che però assorbono poco i neutroni.

Quali sono le prospettive di questi due principali moderatori di neutroni?

L’acqua pesante D2O è il moderatore di maggiore efficacia. Il Deuterio (con numero di massa A=2) è leggero, quindi rallenta bene i neutroni e li assorbe poco. L’Ossigeno non dà molto fastidio, perché anche esso assorbe poco i neutroni.

Ci sono però alcuni notevoli inconvenienti.

L’acqua pesante (D2O) esiste in natura in percentuali piccolissime nell’acqua

(H2O) naturale, solo circa una parte su settemila. Sono necessari complessi e costosi procedimenti di separazione per avere una percentuale apprezzabile di acqua pesante. Il metodo più efficace è quello elettrolitico. Nel corso dell’elettrolisi dell’acqua, l’Idrogeno leggero si sviluppa in percentuale maggiore, quindi l’acqua che resta nella cella elettrolitica si arricchisce progressivamente di acqua pesante.

Il primo impianto industriale per la produzione commerciale di acqua pesante è stato quello della ditta Norsk Hydro in Norvegia costruito nel 1934, con una capacità di produzione di circa 12 tonnellate all’anno. Anche Fermi nei suoi esperimenti a Roma, negli anni 1934-38, sul comportamento dei neutroni lenti si forniva da questa ditta.

Nel corso della seconda guerra mondiale, la Germania occupò la Norvegia, impadronendosi dell’impianto e potenziandolo. Ma gli Alleati lo sottoposero a intensi bombardamenti, accompagnati da operazioni di sabotaggio da parte della resistenza norvegese, per evitare che l’acqua pesante potesse essere usata nel progetto nucleare germanico. Addirittura i Tedeschi tentarono nel 1943 di utilizzare impianti elettrolitici italiani in Alto Adige per la produzione di acqua pesante.

Il progetto nucleare germanico, di cui Werner Heisenberg era l’elemento di spicco dal punto di vista scientifico, si orientò decisamente verso l’acqua pesante, senza successo.

Werner Heisenberg

 

La scelta di Fermi invece fu per la grafite.

La grafite come moderatore

Il nucleo di Carbonio è un moderatore meno efficiente di quello del Deuterio, poiché il Carbonio è più pesante (ha numero di massa A=12). Inoltre la sezione d’urto di assorbimento dei neutroni è più alta. Occorre anche considerare che la grafite industriale, la più comune struttura cristallina ottenibile con il Carbonio, possiede impurità di altre sostanze, che producono considerevoli assorbimenti per i neutroni.

Un blocco di grafite e la sua struttura cristallina

Il problema della grafite è quindi un tipico problema industriale. Occorre assicurarsi una produzione di grafite con un altissimo grado di purezza. Un compito perfettamente all’altezza dell’industria americana degli anni Quaranta.

Fermi si orienta decisamente verso la grafite.

Heisenberg invece la scarta, certamente influenzato dalle difficoltà di ottenere grafite al necessario grado di purezza da parte dell’industria tedesca, molto provata dai bombardamenti, e orientata verso le più immediate priorità dello sforzo bellico. Inoltre non è chiaro se Heisenberg conoscesse la corretta sezione d’urto di assorbimento dei neutroni sul nucleo di Carbonio. Gli importanti esperimenti di Walther Bothe sull’assorbimento, effettuati in Germania nel 1941, furono pubblicati solo nel 1944, quando il problema aveva perso la sua attualità. I valori pubblicati nel 1944 sembrano comunque sovrastimare l’assorbimento sul Carbonio, rispetto a quello vero.

Blocco di grafite

La disposizione dell’uranio

Anche la disposizione dell’Uranio riveste grande importanza.

La scelta di Fermi è di usare ossido di Uranio in polvere, ottenuto a un elevato grado di purezza, disposto in cubetti immersi in blocchi di grafite. Questa disposizione, con la separazione tra Uranio e moderatore, è necessaria. Infatti i neutroni veloci, prodotti nella fissione, abbandonano subito l’Uranio e vengono rallentati nel moderatore. Di conseguenza, quando poi rientrano nel blocchetto di Uranio, sono sufficientemente rallentati in modo da produrre nuove fissioni e da non essere quasi assorbiti dall’Uranio in processi senza fissione.

Invece, in una disposizione omogenea Uranio-moderatore, i neutroni prodotti, ancora veloci, sarebbero eccessivamente assorbiti dall’Uranio in processi senza fissione.

Il calcolo della dimensione ottimale dei cubetti e della loro distanza è un problema teorico di grande rilevanza, e viene brillantemente affrontato da Fermi, forte della sua esperienza sulla diffusione, assorbimento e rallentamento dei neutroni, maturata negli esperimenti svolti a Roma negli anni 1934-38.

La scelta di Heisenberg è invece quella di usare Uranio metallico in lastre, immerse nell’acqua pesante. Questa scelta assicura una grande rigidità alla struttura. Però l’Uranio metallico è di produzione industriale molto difficile, richiedendo forni ad altissima temperatura. Inoltre, la disposizione a lastre, pur rendendo i calcoli teorici più semplici, tuttavia è meno efficiente di quella a cubetti. Solo nell’ultimo esperimento, svolto nella primavera del 1945, Heisenberg si decide a usare la disposizione a cubetti. Ma i cubetti devono essere tagliati a partire dalle lastre disponibili, e queste non risultano di dimensioni ottimali. Inoltre, la quantità di Uranio e di acqua pesante non è sufficiente. Il dispositivo moltiplica i neutroni prodotti, ma non raggiunge la reazione autosostenuta.

La pila nucleare di Fermi

La disposizione scelta da Fermi è della massima efficienza. I cubetti di ossido di Uranio, e i mattoni di grafite possono essere disposti progressivamente in una struttura molto compatta e stabile, la pila, fino a che non si raggiungono le dimensioni critiche e si innesca la reazione a catena divergente, in cui il numero dei processi di fissione è via via crescente. Il controllo della reazione avviene mediante l’inserimento di cilindri di Cadmio, che è una sostanza fortemente assorbente per i neutroni lenti.

Il 2 dicembre 1942, alle 15.25 del pomeriggio, si osserva l’innesco della reazione divergente, completamente sotto controllo. L’esperimento è realizzato da Fermi all’Università di Chicago. Arthur Compton comunicò il successo dell’impresa tramite una telefonata a James Conant, Presidente dell’Università di Harvard e che sarà poi una figura chiave nel Progetto Manhattan. Non era stato concordato nessun codice segreto di comunicazione, per cui fu necessario improvvisare. Compton disse a Conant: “Il navigatore italiano è sbarcato nel Nuovo Mondo.” “Come sono stati i nativi?” chiese Conant. “Molto amichevoli” fu la risposta.

Questo risultato è della massima importanza, sia scientifica, sia pratica. Le ragioni del successo consistono in un’efficace confluenza di diversi fattori. Innanzitutto, la piena comprensione da parte di Fermi dei fenomeni fisici coinvolti. E poi la possibilità di utilizzare le straordinarie potenzialità dell’industria americana nel produrre la necessaria quantità di ossido di Uranio e grafite, di grande purezza.

La pila di Fermi CP-1 (Chicago Pile number 1) è solo un prototipo. Immediatamente vengono costruiti una serie di grossi reattori a scopo applicativo.

Esiste un celebre grafico dell’intensità dei neutroni, che mostra l’inizio della reazione esponenziale divergente. Questo grafico, qui riprodotto, è rimasto secretato a lungo, a causa delle informazioni sensibili in esso contenute.

Naturalmente, per ragioni di sicurezza, fu proibito di prendere fotografie della pila CP-1. Però furono realizzati numerosi disegni, alcuni dei quali sono qui riprodotti.

Applicazioni per la produzione del plutonio

Dati i tempi, caratterizzati da un aspro conflitto su scala mondiale, le prime applicazioni sono a carattere militare.

In effetti, il programma nucleare americano era partito dopo una lettera di Albert Einstein a Franklin D. Roosevelt del 2 agosto 1939, dove il Presidente è informato della possibilità concreta di costruire esplosivi di altissima potenza in seguito agli sviluppi della ricerca nucleare, e del conseguente pericolo che la Germania potesse raggiungere per prima questo obiettivo.

Il reattore nucleare è innanzitutto una potentissima sorgente di neutroni. Quindi viene subito utilizzato per produrre Plutonio, elemento transuranico da poco scoperto e altamente fissile. Barre di Uranio naturale, costituito per lo più da U-238, vengono inserite in un reattore funzionante. L’Uranio 238, irraggiato da neutroni e attivato, subisce due decadimenti beta in catena, perfettamente analoghi a quelli ipotizzati da Fermi nel 1934 per la produzione dell’Esperio (Z=94), trasformandosi in Plutonio. Il vero Esperio è il realtà il Plutonio.

Impianto di Hanford, Washington, USA per la produzione del Plutonio

La pila atomica di Fermi è riprodotta in vari esemplari di reattori di potenza su grande scala nel sito di Hanford, nello Stato di Washington. Il sito di Hanford, attivo fino al 1989, si estendeva su quasi 600 miglia quadrate, con decine di migliaia di persone stabilmente occupate.

Il Plutonio prodotto nei reattori viene poi estratto dalle barre con metodi chimici, tuttora mantenuti segreti nei loro dettagli essenziali, in grandi impianti industriali.

Il Plutonio, che ha una vita media di circa quaranta anni per decadimento alfa (una vita media abbastanza lunga per le applicazioni anche se brevissima su scala geologica, tant’è che il Plutonio non esiste in natura), è un elemento altamente fissile in cui, raggiunta una massa critica, si sviluppa una reazione a catena di fissione a carattere esplosivo.

La prima bomba sperimentale della storia (Trinity test) sfrutta queste proprietà del Plutonio. Viene fatta esplodere il lunedì 16 luglio 1945 nel centro sperimentale di Alamogordo, a poche centinaia di chilometri di distanza dal quartiere generale del Progetto Manhattan, situato a Los Alamos, New Mexico. La potenza stimata della bomba è di 20 000 tonnellate equivalenti di tritolo (20 Kiloton), il carico di circa 2 000 bombardieri B-29 (le superfortezze volanti della Seconda Guerra Mondiale). Lo stesso Fermi fornisce un dettagliato rapporto sull’esplosione, alla quale aveva assistito da una distanza di alcuni chilometri.

In parallelo con la produzione di Plutonio, furono perseguiti anche imponenti programmi per la produzione di Uranio arricchito in U-235.

Foto del tesserino identificativo di Enrico Fermi a Los Alamos

Gli usi militari

Dopo il successo dell’esplosione della bomba sperimentale di Alamogordo (Trinity test, 16 luglio 1945), le autorità politiche e amministrative americane prendono la grave decisione di utilizzare l’arma nucleare contro il Giappone. La bomba su Nagasaki del 9 agosto è a Plutonio (Fat Man, 25 Kiloton). Pochi giorni prima, il 6 agosto, era stata distrutta la città di Hiroshima con una bomba (Little Boy, 20 Kiloton) basata sull’uso di Uranio arricchito (isotopo 235), per la quale non era stata necessaria alcuna sperimentazione. L’uso delle due bombe nucleari sul Giappone pone fine alla seconda guerra mondiale.

Immagine ufficiale del Trinity test nel deserto di Alamogordo, New Mexico, USA

Ovviamente, negli anni successivi, le principali nazioni industrialmente avanzate iniziano la produzione di Plutonio, e si dotano di armi nucleari sempre più potenti. L’equilibrio del terrore mantiene uno stato di guerra fredda, ma di pace effettiva nei lunghi decenni seguenti.

Il primo reattore sovietico, a grafite come quello americano, raggiunge la criticità il 25 dicembre 1946, quattro anni dopo il reattore di Fermi. Il Plutonio prodotto viene impiegato nel primo test nucleare, detto in codice First Lightning Joe-1 (22 Kiloton), effettuato il 29 agosto 1949, presso il sito sperimentale di Semipalatinsk nel Kazakhstan.

L’Inghilterra fa esplodere la prima bomba atomica (Hurricane, 25 Kiloton) il 3 ottobre 1952, presso le isole Monte Bello lungo la costa nord occidentale dell’Australia. Il Plutonio proviene in parte dagli impianti di Harwell e Risley in Inghilterra, in parte dal Canada.

Il primo reattore francese (ZOE), a Uranio e acqua pesante, è attivato il 15 dicembre 1948, con l’azione decisiva di Frédéric Joliot. Dopo una serie di complesse vicende, nel corso delle quali tra l’altro Joliot viene rimosso dalle sue responsabilità di direzione nel settore nucleare, la Francia effettua il primo test nucleare (Gerboise Bleue, a Plutonio) il 13 febbraio 1960 in Algeria, nel deserto del Sahara. La potenza è superiore a 60 Kiloton, un valore molto elevato per un prototipo sperimentale.

Non è sorprendente rilevare che Enrico Fermi riceve anche una Medaglia al valor militare, con delibera del Congresso degli Stati Uniti del gennaio del 1946.

 

La mappa con i primi test nucleari nel mondo dal 1945 al 1965

Applicazioni civili

Il reattore nucleare, a causa della elevata energia liberata nella fissione, è anche una potenziale potente sorgente di calore. Dopo la fine della guerra, ci si orienta anche verso le applicazioni civili.

In un lucido rapporto del 27 maggio 1946, dal titolo “The future of atomic energy” (Il futuro dell’energia atomica), presentato alla United States Atomic Energy Commission, Enrico Fermi affronta il problema dell’uso della energia atomica a scopi pacifici. Questi spaziano dalla produzione di energia elettrica, mediante scambiatori di calore per far funzionare delle turbine, alla produzione di sostanze radioattive artificiali, da utilizzare a scopo medico teraupetico, analogamente ai prodotti del Radio naturale, oppure come traccianti per ottenere informazioni sulle reazioni chimiche e metaboliche.

CP-3 (Chicago Pile 3) è stato il primo reattore nucleare moderato con acqua pesante. Ha raggiunto la criticità nel 1944, ed è stato usato, anche da Enrico Fermi, fino al gennaio del 1950, per esperimenti sulla fisica del neutrone e del reattore (Argonne National Laboratory)

Il primo impianto nucleare per la produzione di energia elettrica è quello di Obnisk in URSS, che, opportunamente potenziato, è rimasto attivo per uasi 48 anni, dal 1954 fino al 2002. Nel 1956 segue la centrale di Calder Hall, presso Sellafield in Gran Bretagna. Invece la prima centrale nucleare americana per la produzione di energia elettrica su scala industriale è stata quella di Shippingport, il cui reattore è entrato in criticità il 2 dicembre 1957.

Analogamente si possono costruire motori nucleari per la propulsione di sommergibili e navi.

Il Nautilus, primo sommergibile a propulsione nucleare, fu varato il 21 gennaio 1954 a Groton, Connecticut, USA. Tra le sue imprese vi è anche il raggiungimento del Polo Nord, sotto i ghiacci della banchisa, avvenuto il 3 agosto 1958.

Nel 1960 anche la Marina Sovietica può vantare sommergibili a propulsione nucleare, armati di letali missili balistici. Nel 1957 l’Unione Sovietica aveva però costruito il rompighiaccio Lenin, il primo rompighiaccio a propulsione nucleare, ma anche la prima nave a propulsione nucleare destinata solo ad usi civili.

Navi mercantili a propulsione nucleare non hanno avuto successo a causa degli altissimi costi.

Il reattore nucleare come generatore di neutroni e neutrini

Il reattore nucleare è anche un potente generatore di neutroni utilizzabile per la ricerca sulle proprietà dei neutroni nella loro interazione con i nuclei.

Anche Fermi è coinvolto in queste ricerche. In particolare studia la riflessione dei neutroni su specchi, la trasmissione di neutroni lenti attraverso materiali microcristallini, i fenomeni di interferenza per neutroni lenti, l’interazione tra neutroni ed elettroni.

È interessante notare che alcune di queste ricerche sono strettamente collegate con ricerche analoghe fatte a Roma nel periodo 1934-1938. Solo che ora è possibile utilizzare i reattori come sorgenti di neutroni, enormemente più potenti di quelle allora disponibili a Radon-Berillio, e con le quali Fermi aveva peraltro vinto il Premio Nobel.

Il reattore nucleare è anche una potente sorgente di neutrini, provenienti dal decadimento beta dei prodotti della fissione. In termini moderni si tratta di antineutrini elettronici.

Il reattore è stato quindi utilizzato per la prima rivelazione dei neutrini. Nel 1956 Clyde L. Cowan e Frederick Reines hanno potuto rivelare gli antineutrini da reattore. Cowan è morto nel 1974. Reines ha ricevuto il Premio Nobel 1995 per la Fisica per i suoi lavori sul neutrino.

Il metodo di rivelazione è basato sulla reazione

L’intenso flusso di antineutrini provenienti dal decadimento beta dei frammenti di fissione del reattore viene fatto incidere su un rivelatore contenente molti protoni bersaglio in uno scintillatore liquido a Idrogeno.

Sono prodotti un positrone e un neutrone. Questi prodotti sono rivelati in forma di una coppia di segnali ritardati. Il primo segnale è dato dal rallentamento e conseguente annichilazione del positrone su un elettrone in una coppia di fotoni. Il secondo impulso, ritardato rispetto al primo, è prodotto dal rallentamento del neutrone nell’Idrogeno con conseguente assorbimento nel Cadmio dissolto nello scintillatore, con emissione di un raggio gamma.

È interessante ricordare che la prima proposta di rivelazione degli antineutrini intendeva utilizzare una esplosione nucleare come sorgente, con conseguenti importanti problemi di isolamento dell’apparato rivelatore, sia contro le radiazioni prodotte, sia contro l’onda d’urto meccanica. Successivamente però Cowan e Reines si convinsero a usare un reattore come sorgente di neutrini, meno efficiente, ma più sicuro.

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