SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Verso la Reazione a Catena

di Samuel Allison

... La costruzione della "pila" faceva parte del programma del cosiddetto "Metallurgical Project", più tardi finanziato dal Genio dell'Esercito degli Stati Uniti. Si era costituito un gruppo di fisici di primo piano, fra i quali c'era anche Enrico Fermi, che aveva ottenuto aiuti finanziari pressoché illimitati. Le righe che seguono non pretendono assolutamente di essere un resoconto adeguato delle loro attività fino al 2 dicembre 1942, tutt'altro: non sono che osservazioni casuali fatte da un partecipante, comprendenti qualche dettaglio molto modesto che riuscirà però a dare - lo spero - un tocco personale a una relazione peraltro puramente basata sui fatti.
Il primo compito importante che mi fu affidato nell'ambito del programma consisteva nel ripetere, con variazioni minime, alcuni esperimenti eseguiti da Fermi e dal suo gruppo alla Columbia University. Avevamo deciso di adoperare il vecchio ciclotrone di Chicago come sorgente di neutroni per studiare la diffusione dei neutroni nella grafite con e senza reticolo di uranio incorporato. Altri, più saggi di noi, sapevano che con un vecchio ciclotrone del 1937, quale era il nostro, avremmo perso quasi tutto il nostro tempo per la manutenzione e poco tempo ci sarebbe rimasto per la misurazione della diffusione.
Più o meno inaspettatamente, certo senza nessuna sollecitazione da parte mia, arrivò da Washington un grammo di radio, sotto forma di sorgente mista di neutroni, e ci fu possibile utilizzare il ciclotrone per altri progetti.
Mi recai più volte a New York per mettermi in contatto con il gruppo di Fermi. Si erano riuniti e stavano sperimentando una pila esponenziale sottocritica a polvere di ossido di uranio, pressata in contenitori di alluminio disposti in una matrice di grafite. Il fattore di riproduzione di neutroni, "k", che avrebbe dovuto superare l'unità, era 0,88. Fermi considerava ciò non molto incoraggiante, ma continuò con gli stessi materiali, ottenendo qualche progresso. In particolar modo, non era soddisfatto della qualità dell'ossido, e gli avvenimenti successivi provarono che i suoi sospetti erano giustificati. Inoltre, comprimendo fortemente la polvere di ossido si potevano ottenere vantaggi notevoli, e dunque Anderson e Zinn si misero in cerca di una vecchia pressa che servisse allo scopo. Un vantaggio del metodo di pressare l'ossido fino a ottenerne dei mattoni, sarebbe stato quello di poter fare a meno dei contenitori, che assorbivano parte dei preziosi neutroni. I vantaggi presentati dai mattoni ad alta densità erano talmente evidenti che decisi di impiegarli per la prima "pila", a Chicago.
La polvere di ossido di uranio adoperata alla Columbia e a Chicago veniva estratta da pechblenda canadese, e consisteva soprattutto del residuato di una separazione nella quale era stato massimizzato il recupero del radio. Fermi chiese ad alcuni chimici della Columbia di analizzarla, e la lista di impurità risultò così lunga che ci apparve un buon saggio del sistema periodico. Comunque, il primo quantitativo di ossido spedito alla Columbia aveva una particolarità positiva: si lasciava pressare in magnifici, solidi mattoni. Ma a Chicago il programma incontrò difficoltà, mentre lavoravamo con un quantitativo di ossido canadese speditoci circa un anno dopo. I mattoni erano molto meno solidi di quelli della Columbia, e spesso si rompevano al solo toccarli. Erano tanto delicati che dovemmo fare un passo indietro e racchiuderli in contenitori di alluminio con pareti sottili, tenuti insieme con l'aiuto di nastro adesivo, che a quell'epoca era un prodotto ancora relativamente nuovo. Le difficoltà di compattamento che avemmo a Chicago diedero luogo a qualche osservazione scherzosa, ma poco lusinghiera, da parte di quelli della Columbia; tuttavia un grosso sforzo, fatto allo scopo di scoprire le cause delle difficoltà mediante il raffronto dei procedimenti, non portò ad alcun risultato.
In quel periodo, mentre a Chicago la compressione dell'ossido era quasi terminata, mi fermai a Princeton durante uno dei miei viaggi sulla costa orientale degli Stati Uniti: fui immediatamente e fermamente aggredito da Wigner e da Creutz. Wigner era certo che la proporzione di grafite e uranio determinata da Fermi alla Columbia non fosse quella migliore e, in particolare, sosteneva che i mattoni di Fermi erano troppo grandi. Ne avevo portato uno con me da Chicago, e quando Wigner lo vide disse che era troppo grande e che bisognava tagliarlo in due. Mi lanciai in un resoconto strappalacrime delle difficoltà incontrate durante la compressione a Chicago, di come riuscivamo a malapena a compattare i pezzi e dissi che si sarebbero ridotti in polvere se si fosse tentato di segarli. Durante il mio monologo non avevo notato che Creutz era sparito silenziosamente, portando con se il mio campione. Pochi minuti dopo lo riportò, accuratamente segato in due con le due parti intatte. Tornai a casa e tagliammo tutti i nostri preziosi pezzi compressi secondo la tecnica di Wigner.
Quando fu completata la prima pila esponenziale di Chicago e quando fu misurata l'attenuazione del flusso di neutroni mediante fogli di indio piazzati lungo il suo asse nel modo raccomandato, il "k" risultò essere di 0,91. Fermi arrivò dalla Columbia per dare la sua approvazione ufficiale e chiese tutti i dati originali concernenti i fogli di metallo, il loro spessore, la loro posizione e il loro tasso di conteggio.
Naturalmente, glieli fornimmo volentieri. Si rinchiuse in ufficio e dopo poche ore convocò alcuni di noi ad un piccolo seminario. Dopo qualche preliminare, annunciò che il "k" era 0,93. Piuttosto sorpreso, dissentii e dissi che era 0,91. Solo un'altra volta mi capitò di vedere Fermi tanto seccato. Egli si piccava sempre di essere il più cauto di tutti; ora si trovava in una situazione in cui un collaboratore si mostrava più prudente di quanto fosse stato Fermi. Fece qualche osservazione dura, poi tornò a sorridere, e scoprimmo che io mi ero basato su un vecchio valore del coefficiente di diffusione della grafite, valore che Fermi aveva abbandonato.
Dapprima le notizie di un "k" superiore trovato a Chicago ebbero un effetto deprimente per quelli della Columbia, come se una nuova soluzione tecnica li avesse superati, loro che al programma avevano dato vita. Ma presto si giunse alla spiegazione: i canadesi avevano ulteriormente raffinato l'ossido, tra la spedizione alla Columbia e quella a Chicago. Benché fosse impuro, secondo i criteri di giudizio moderni, l'ossido di Chicago era molto migliore di quello della Columbia; soprattutto, era privo di una certa impurità catramosa che bastava a spiegare le più alte qualità di compattamento del materiale della Columbia.
Ormai era stato deciso di concentrare a Chicago tutto lo sforzo diretto alla reazione a catena, ed infatti, poco dopo, Fermi e il suo gruppo giunsero dalla Columbia. Erano diventati professionisti nell'arte della "pila" esponenziale, campo in cui io ero solo un principiante, perciò lasciai il montaggio della pila e della relativa grafite ai nuovi venuti. Stava diventando sempre più evidente che la difficoltà critica consisteva nell'ottenere, in quantità sufficiente, composti di uranio ad alta purezza e grafite. I nostri primi tentativi di produrre uranio metallico puro non erano stati molto soddisfacenti. Data la sua alta efficienza nel generare raggi X mediante bombardamento di elettroni, la Westinghouse Lamp Works ne aveva prodotto un certo numero di grammi per prove come bersaglio per tubi a raggi X.
Sfortunatamente, in occasione di quell'esperimento si scoprì che il punto di fusione del metallo puro era di almeno 600 °C inferiore a quello definito in letteratura. Il procedimento della Westinghouse comportava una riduzione fotochimica del nitrato di uranile in una soluzione contenente fluoruro di potassio e zucchero. Il fluoruro (KUF5) che precipitava veniva fuso e l'uranio recuperato per elettrolisi del sale fuso. Il metallo risultante era il migliore che si potesse ottenere durante quel primo stadio del progetto, ma il procedimento era troppo difficile da applicare su scala sufficiente a produrre le quantità volute.
Un altro metodo, in base al quale l'ossido di uranio veniva ridotto in polvere di uranio mediante riscaldamento con idruro di litio e successiva sinterizzazione in ammassi di metallo, fornì un materiale molto scadente, in parte rivelatosi piroforico quando i contenitori furono aperti all'aria. Non bastava dunque trovare un procedimento per produrre l'uranio; era altresì necessario sviluppare e usare tecniche analitiche sufficientemente fini da controllare la purezza fino alle elevate specifiche richieste. I vecchi metodi analitici usati per il boro erano inadeguati. Il Bureau of Standards ne stava studiando di nuovi. A Princeton stavano sperimentando metodi per la produzione di cadmio.
Decisi di dedicarmi al problema dei materiali puri, e ciò apparve logico, dato che in quel periodo il Prof. Compton mi chiese di presiedere la sezione chimica del progetto, il quale si stava allargando rapidamente. La fretta e la confusione erano incredibili. Dagli inglesi avevamo imparato un sistema per produrre l'uranio per riduzione del tetrafluoruro con calcio o magnesio.
Il Dr. Alexander Smith rinunciò al pensionamento e ci organizzò un piccolo stabilimento pilota per la produzione del fluoruro dal nitrato. Fu fatto un gran balzo in avanti quando Compton riuscì a convincere la Mallinckrodt Chemical Company di adottare, per la purificazione del nitrato di uranile, il metodo rischioso dell'estrazione con etere. Furono stipulati contratti con varie società per la produzione dell'uranio, ma i metodi di analisi all'inizio non furono loro rivelati. Per alcuni mesi pubblicai un rapporto analitico settimanale che forniva i resoconti dei risultati ottenuti analizzando preparati di uranio realizzati a Chicago, al Bureau of Standars, a Princeton, a Saint Louis, ad Ames e in molti altri luoghi, dove l'analisi e la produzione erano in corso. Ad alcune società non piacque che i loro procedimenti analitici fossero resi noti ai loro concorrenti, ma l'urgenza di andare avanti fece accantonare qualsiasi protesta.
Di uguale importanza era la purezza della grafite. Era molto difficile far capire ai grandi produttori di grafite, il cui prodotto era risultato perfettamente soddisfacente per gli elettrodi nell'industria dell'acciaio, perché migliaia di tonnellate dovevano essere preparate secondo gli standard della grafite per terminali di arco da impiegare in analisi spettroscopica. Nessuno si era mai preoccupato prima della presenza di boro nella grafite; nessuno sapeva quanto boro contenesse la grafite commerciale. Ricordo un estenuante viaggio, con Norman Hilberry, per andare alla Speer Graphite Company, la quale si trovava in una remota plaga della Pennsylvania nord-occidentale. Questa società, piuttosto piccola, aveva accettato di compiere alcuni degli esperimenti da noi richiesti per la produzione di grafite allo scopo di abbassare il contenuto di boro. Mi ricordo l'eccitazione quando arrivò dalla Speer il primo carico di grafite, nel maggio 1942, e il "k" salì a 0,995, pur usando ancora dell'uranio non rispondente agli standard.
Naturalmente sto descrivendo il progetto, che era in rapida evoluzione, solo per grandi linee. I chimici separavano il plutonio in quantità dell'ordine dei microgrammi dai materiali irradiati nel ciclotrone dell'Università di Washington. Altri scoprivano quotidianamente nuovi prodotti di fissione, o studiavano gli effetti di dislocazione nella grafite causati da bombardamento con neutroni veloci. I fisici cercarono e trovarono nuovi emittenti ritardati di neutroni e misurarono la curva di decadimento della somma di tutti i prodotti di fissione. Furono realizzati reticoli contenenti proporzioni variabili di uranio e grafite, per sperimentare l'effetto sul "k". I biologi cominciavano a vagliare i danni alla salute provocati dai neutroni lenti, in modo da poter progettare lo schermo del reattore. Arrivarono nel Laboratorio voci di una conferenza-fiume tenuta a Berkeley, durante la quale si era discussa la possibilità di una reazione termonucleare, benché non ne fosse stata data notizia ufficiale. Giornalmente scoppiavano accese discussioni se si dovessero raffreddare i reattori con gas o con liquidi.
Esaminato a posteriori, il programma del Metallurgical Project appare concepito nella maniera più efficiente per arrivare al traguardo: ma a chi si trovava coinvolto nell'agitazione di quei giorni, pareva che ci fossero periodi lunghi in cui non si progrediva e, almeno secondo me, regnava un senso di confusione quasi insostenibile: c'era molta fretta e temevamo che i nostri avversari in guerra fossero molto più avanti di noi. Finalmente, il 2 dicembre1942 disponemmo a Chicaqo di quantità sufficienti di grafite, uranio e ossido di uranio di purezza soddisfacente, tanto che quando l'ultimo carico fu inserito nella struttura del reattore e Fermi ordinò che venisse estratta la barra di controllo, il flusso neutronico salì esponenzialmente con la derivata positiva di secondo tempo che Wigner sosteneva di vedere.
Ma quel giorno si svolgevano molte riunioni, e solo pochi ebbero il tempo per assistere. In un'altra stanza il comitato di revisione della Du Pont era in piena seduta e stava ascoltando le dichiarazioni dei membri del progetto. Ad esempio John Marshall, il quale aveva lavorato tanto quanto gli altri per la realizzazione della "pila", si era momentaneamente allontanato per andare allo stabilimento della Metal Hydrides; in molti uffici, poi, si parlava dei progetti per i futuri reattori.
Quel giorno tornai a casa tardi, come al solito, stanco, come al solito, e dato che non mi era permesso dire una sola parola che riguardasse il lavoro a mia moglie e alla mia famiglia, mi buttai a letto per recuperare le forze necessarie per affrontare il caos che mi attendeva, come al solito, il mattino successivo.


Samuel Allison