SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Il racconto di Fermi: La mia Pila

Chicago Sun Times - 23 novembre 1952
Questo articolo appare sul giornale di Chicago in occasione del decimo anniversario del funzionamento della prima pila
Sono trascorsi dieci anni da quando per la prima volta si è ottenuto una reazione atomica auto sostenuta. Molte persone collegano questo evento solo con lo sviluppo della bomba atomica e con il susseguente sforzo nella costruzione della bomba all'idrogeno, riferimenti che sono stati fatti in questi ultimi giorni dalla Commissione sull'Energia Atomica.
La storia della prima reazione nucleare a catena auto sostenuta, come quella di tutte le imprese scientifiche, inizia con le prime riflessioni filosofiche sulla natura dell'universo. Le sue conseguenze ultime sono imprevedibili.
La sequenza delle scoperte che portarono alla reazione nucleare a catena fu parte della ricerca della scienza di una più completa spiegazione della natura e del mondo che ci circonda. Nessuno aveva idea o intenti iniziali di contribuire ad un maggior sviluppo industriale o militare. Un parziale elenco dei passi principali per questo sviluppo presenta il contributo di molte nazioni.

La storia inizia a Parigi nel 1896 quando Antoine Henri Becquerel scoprì l'esistenza di elementi radioattivi; cioè elementi che spontaneamente emettono raggi invisibili e penetranti. Due anni dopo, ancora a Parigi Pierre e Marie Curie scoprirono il radio, per molti anni l'elemento radioattivo più noto.
A Zurigo, Svizzera, nel 1905, annunciò la sua convinzione che la massa era equivalente all'energia. Ciò portò all'idea che si poteva trasformare una nell'altra.
Una delle principali scoperte avvenne nel 1912 quando Ernest Rutherford scoprì il piccolo ma pesante nucleo che forma il nocciolo dell'atomo. Negli elementi ordinari questo nucleo è stabile; negli elementi radioattivi è instabile. In breve dopo la prima guerra mondiale lo stesso Rutherford ottenne per la prima volta la disintegrazione artificiale del nucleo al centro dell'atomo di azoto.

Nel decennio successivo, le ricerche progredirono tenacemente anche senza spettacolarità. Poi nel 1932, avvenne una serie di tre scoperte, da parte di scienziati che lavoravano in tre diversi stati, che portarono al grande progresso successivo.
Walter Bothe in Germania e Frederic Joliot-Curie a Paris prepararono il terreno che portò l'inglese James Chadwick alla scoperta del neutrone. Il neutrone è un elemento costitutivo ed elettricamente neutro della struttura nucleare. L'altro elemento è il protone carico positivamente. Il successivo passo fu fatto a Roma nel 1934. Negli esperimenti nei quali ero coinvolto si mostrò che questi neutroni potevano disintegrare molti atomi, incluso quello dell'uranio. Questa scoperta sarà applicata otto anni dopo direttamente nella prima reazione nucleare a catena.

La scoperta della fissione

Il passo finale ebbe luogo a Berlino quando Otto Hahn, che lavorava con Fritz Strassman, scoprì la fissione op divisione dell'atomo di uranio. Dopo che Hahn ottenne la fissione, molti scienziati pensarono che questo fatto aprisse la possibilità di una forma di energia nucleare (atomica). Era l'anno 1939. Una guerra mondiale stava per per iniziare. Le nuove possibilità apparivano idonee non solo per la pace ma anche per la guerra. Un gruppo di fisici negli Stati Uniti, che includeva Leo Szilard, Walter Zinn, ora direttore dell'Argonne National Laboratory, Herbert Anderson ed io stesso, si accordarono privatamente di rimandare ulteriori pubblicazioni di scoperte in questo campo. Temevamo che queste scoperte potessero aiutare i Nazisti. Il nostro operato rappresentava, naturalmente, una rottura con la tradizione scientifica e non fu presa alla leggera. Successivamente, quando il governo iniziò ad interessarsi al progetto della bomba atomica, la segretezza divenne obbligatoria.

Qui si può ben definire ciò che si intende per "reazione a catena", che rappresentava il nostro successivo obiettivo nella ricerca di un metodo di utilizzazione dell'energia atomica. Una reazione atomica a catena si può confrontare come la combustione di una pila di rifiuti per accensione spontanea. Le parti infiammabili più minuscole della pila iniziano a bruciare e a loro volta incendiano altri piccoli frammenti. Quando un numero sufficiente di queste parti sono riscaldate al punto di accensione, l'intera catasta brucia tra le fiamme. Un processo simile ha luogo in una pila atomica come quella costruita sotto gli West Stand dello Stagg Field all'Università di Chicago nel 1942.

La pila era composta di uranio, un materiale che è inserito in una matrice di grafite. Con sufficiente uranio nella pila, i neutroni emessi in una singola fissione può può manifestarsi accidentalmente colpiscono gli atomi vicini, che a loro volta originano una fissione e producono altri neutroni. Questi bombardano altri atomi e così via con un ritmo crescente fino a che il "fuoco" atomico determina una esplosione totale.

La pila atomica è controllata e previene la propria completa distruzione mediante barre di cadmio che assorbono i neutroni e fermano il processo di bombardamento. É lo stesso effetto che si potrebbe ottenere con un flusso continuo di acqua fredda attraverso un mucchio di rifiuti; il flusso, tenendo bassa la temperatura, può prevenire accensioni spontanee.

Il primo esperimento di una reazione atomica a catena fu progettato per funzionare ad un ritmo basso. In questo senso differisce dalla bomba atomica, che fu progettata per procedere al ritmo più alto possibile. D'altro canto, il processo fondamentale è simile a quello della bomba atomica. La reazione atomica a catena fu il risultato di un duro lavoro da parte di molte mani e molte teste. Arthur H. Compton, Walter Zinn, Herbert Anderson, LeoSzilard, Eugene Wigner e molti altri lavorarono direttamente sul problema presso l'Università di Chicago. Furono eseguiti molti esperimenti e calcoli. Alla fine fu deciso un progetto.

Furono costruite e testate trenta "pile" più piccole della grandezza necessaria a determinare una reazione a catena. Poi fu predisposto il piano per il test finale di una pila di grandezza intera.
La scena di questo test all'Università di Chicago sarebbe stata fraintesa da un osservatore esterno qualora avesse eluso le guardie di sorveglianza ed avesse potuto entrare. Avrebbe visto solo ciò che appariva essere una grezza ammucchiata di mattoni neri e assi di legno. Ma tutta una parte della pila era oscurata da un pallone che la avvolgeva. Al crescere della pila verso la sua dimensione finale durante i giorni di preparazione, le misure eseguite molte volte al giorno indicavano ogni cosa era a posto a meno di qualcosa migliore di quanto previsto dai calcoli.

La riunione sul terrazzo

Alla fine giunse il giorno in cui avevamo deciso di effettuare l'esperimento. Ci riunimmo sul terrazzo a 10 piedi dal pavimento della grande stanza nella quale la struttura era stata eretta. Sotto di noi c'era un giovane scienziato, George Weil, il cui compito era di guidare a mano l'ultima barra di controllo che avrebbe mantenuto in funzione la reazione. Era stata presa ogni precauzione contro un incidente. Nella pila vi erano tre tipi di barre di controllo. Un tipo era automatico. Un altro era basato su una sicura di emergenza fortemente appesantita tenuta da una fune. Walter Zinn era incaricato di tenere la fune e di liberarla al minimo segno di difficoltà. L'ultima barra posta nella pila, che agiva da starter, acceleratore e freno della reazione, era la sola manovrata da Weil.

Poiché l'esperimento non era stato mai prima tentato, una "una squadra con liquido di controllo" stava pronta ad inondare la pila con una soluzione di sale di cadmio in caso di fallimento della barra di controllo. Prima di iniziare, riesaminammo attentamente i dispositivi di sicurezza.
Alla fine, giunse il momento di rimuovere le barre di controllo. Lentamente Weil iniziò a ritrarre la barra principale di controllo. Sul terrazzo osservavamo gli indicatori che misuravano il conteggio dei neutroni e scambiavamo informazioni sulla rapidità di disintegrazione degli atomi di uranio sotto il bombardamento dei neutroni.

Alle 11:35, i contatori ticchettarono rapidamente. Poi, con un fragoroso colpo, le barre di controllo automatico scattarono. Il punto di sicurezza era stato posto troppo in basso. Sembrava un buon momento per andare a pranzo. Durante il pranzo ognuno pensava all'esperimento ma nessuno ne parlava molto.

Alle 2:30, Weil tolse la barra di controllo in una serie di misure di aggiustamento. Poco dopo, l'intensità mostrata dagli indicatori iniziò a salire con un ritmo lento ma continuo. In quel momento sapevamo che si stava verificando una reazione auto sostenuta.
L'evento non fu spettacolare, nessun petardo scoppiò, nessuna luce brillò. Ma per noi significava che l'emissione di energia atomica su larga scala era solo questione di tempo.

L'ulteriore sviluppo dell'energia atomica durante i tre anni successivi di guerra fu, naturalmente finalizzato sull'obiettivo principale di produrre un'arma effettiva.
Allo stesso tempo noi tutti speravamo che alla fine della guerra l'energia atomica venisse decisamente dirottata dalle armi verso gli usi pacifici.
Noi speravamo che la costruzione di centrali energetiche, la produzione di elementi radioattivi per la scienza e la medicina sarebbero diventati gli obiettivi prevalenti. Sfortunatamente, la fine della guerra non portò amore fraterno tra le nazioni. La fabbricazione di armi è ancora e sarà il principale interesse della Atomic Energy Commission.
La segretezza che credevamo una necessità sgradita della guerra appare ancora essere una necessità sgradita. Gli obiettivi pacifici divengono secondari, sebbene molti progressi considerevoli siano stati ottenuti anche su questi aspetti.

I problemi posti da questa situazione mondiale non sono risolvibili dai soli scienziati ma da tutta la gente. Forse verrà un tempo in cui tutti i progressi scientifici e tecnologici saranno accolti per i vantaggi che possono portare all'uomo, e nessuno avrà paura delle possibilità distruttive.


Fermi negli anni 40
 
La grafite per la pila
 
Disegno del Brevetto N° 2.708.656 registrato il 18 maggio 1955, da Enrico Fermi e Leo Szilard. L'invenzione è brevettata compreso il primo reattore nucleare, Chicago Pile N°1 (CP-1). Sebbene il brevetto fu presentato nel Dicembre 1944, non fu registrato fino dall'anno successivo finché tutte le informazioni segrete in esso contenute non furono declassificate.