la reazione a catena
Dall'inizio del 1942, era noto che i due isotopi naturali dell'uranio reagiscono con i neutroni nel modo seguente:
\[^{235}U_{92} +n \rightarrow prodotti fissione+\left(2,5\right)n+200 MeV \]
\[^{238}U_{92} +n \rightarrow ^{239}U_{93}\]
\[^{239}U_{92} +n \rightarrow ^{239}Np_{93} + \beta^- \]
\[^{239}Np_{93} \rightarrow ^{239}Pu_{94} + \beta^- \]
Ogni U-235 soggetto a fissione produce una media di 2.5 neutroni. Al contrario, alcuni nuclei di U-238 catturano neutroni, divenendo U-239, per emettere poi due particella beta per produrre Pu-239. I tempi sono le vite medie per le successive emissioni beta.
Le risposte a due problemi furono cruciali per la produzione di plutonio per le bombe atomiche. É possibile, usando uranio naturale (99.3% U-238 e 0.7% U-235), ottenere una reazione a catena controllata su larga scala? Se così fosse, alcuni dei neutroni eccedenti prodotto dalla fissione dell'U-235 potrebbero essere assorbiti dall'U-238 e produrre Pu-239 fissionabile. Il secondo problema riguardava il modo di separare (in un periodo di tempo ragionevole) le quantità relativamente piccole di Pu-239 dall'uranio che non aveva reagito e gli elementi prodotti dalla fissione altamente radioattivi.
Sebbene la fissione fosse stata osservata su piccola scala in molto laboratori, nessuno aveva ottenuto una reazione a catena controllata. Fermi pensava che si potesse ottenere una reazione a catena controllata usando l'uranio naturale. Egli aveva iniziato questo lavoro con Leo Szilard alla Columbia University, ma si era poi spostato all'Università di Chicago all'inizio del 1942. Il reattore nucleare, detto pila, era composto da 36588 kg di ossido di uranio, 5630 kg di uranio e 350.000 kg di grafite ultrapura disposta in modo da massimizzare la propagazione dei neutroni. Il 2 Dicembre 1942, ebbe luogo la prima reazione nucleare a catena controllata in un campo di squash sotto il campo di football all'Università di Chicago. Intorno alle 14:20 il reattore divenne critico; cioè, produceva un neutrone per ogni neutrone assorbito dai nuclei di uranio. Fermi fece continuare la reazione per 27 minuti prima di inserire le barre di controllo di cadmio che assorbivano neutroni. Oltre a neutroni e energia la pila produsse una piccola quantità di Pu-239, l'altro materiale fissionabile noto.
