SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Il primo reattore nucleare e la produzione di plutonio

di Glenn Seaborg (Premio Nobel)

Il primo reattore nucleare fu realizzato presso il Laboratorio Metallurgico della Università di Chicago, il 2 dicembre 1942. Benché questo primo esperimento segni l'inizio dell'era atomica, all'epoca lo scopo era uno solo: dimostrare che era possibile produrre in grosse quantità il nuovo elemento, il plutonio, attraverso una reazione nucleare a catena nell'uranio naturale.
Una volta dimostrata la possibilità di realizzare un tale reattore nucleare, rimanevano ancora due punti importanti: uno era quello della costruzione del reattore ad uranio naturale a un livello abbastanza alto di potenza perché quantità sufficienti di plutonio potessero essere prodotte nei ristretti limiti di tempo richiesti. L'altra incognita era questa: sarebbe stato possibile escogitare, sempre entro gli stessi termini di tempo, i mezzi chimici per la separazione del plutonio dall'uranio e dalle grandi quantità di prodotti radioattivi di fissione che sarebbero stati presenti?
Questi due problemi, molto difficili da risolvere, erano alla base del Progetto Plutonio. Le loro soluzioni non erano per gran parte correlate tra loro, e il programma di sviluppo di ciascuno di essi era nelle mani di ricercatori di discipline diverse, fisici e chimici. Il presente resoconto si occuperà solo del secondo di questi problemi, ossia dello sviluppo dei processi per la separazione chimica e la purificazione del plutonio.
Fortunatamente, il compito fu intrapreso alla luce di molte ricerche chimiche su questo elemento svolte in precedenza. Il plutonio era stato scoperto quasi due anni prima e molte ricerche sulle sue proprietà chimiche erano già state compiute: ciò avvenne nel corso di esperimenti che si svolsero dal dicembre 1940 al gennaio-febbraio 1941, in conseguenza della produzione e della identificazione chimica dell'isotopo con il numero di massa 238, risultante dal bombardamento di uranio con deutoni nel ciclotrone da 60 pollici dell'Università californiana di Berkeley. L'isotopo fissile del plutonio, il plutonio 239, la cui produzione era lo scopo del Progetto Plutonio, fu scoperto all'inizio del 1941, a seguito di un bombardamento di uranio naturale con l'alto flusso di neutroni prodotto dallo stesso ciclotrone da 60 pollici. Il fatto che fosse fissionabile con neutroni lenti fu dimostrato per la prima volta il 28 marzo 1941 con neutroni prodotti dal ciclotrone da 37 pollici del Laboratorio Radiazioni della Università di Berkeley. Fu così stabilito il grande valore di quell'isotopo ai fini della liberazione di energia nucleare.
Si studiarono quindi per un anno circa, all'Università di California, le proprietà chimiche del plutonio mediante il metodo dei traccianti, usando soprattutto l'isotopo plutonio 238. Sulla base di tali esperimenti fu stabilito che il plutonio ha almeno due stati di ossidazione, il più basso dei quali ha proprietà chimiche molto simili a quelle di ioni di terre rare, mentre quello superiore ha proprietà chimiche molto simili a quelle dello ione di uranile. Inoltre fu accertato che lo stato superiore di ossidazione si poteva ottenere mediante trattamento dello stato inferiore con agenti ossidanti, quali il persolfato o gli ioni di argento, e che lo stato superiore poteva essere ridotto a quello inferiore se era trattato con agenti riduttori quali l'ossido di zolfo oppure il bromuro ionico. Fu dimostrato che il plutonio, nello stato inferiore di ossidazione, era veicolato da componenti quali i fluoruri di terre rare ma era solubile in presenza di fluoruri di terre rare nello stato superiore di ossidazione. Sulla base di questi esperimenti fu concepito il principio della ossidazione-riduzione, un principio che doveva diventare la base dei processi chimici elaborati più tardi nell'ambito del Progetto Plutonio.
Quando gli scienziati delle diverse specialità furono riuniti al Laboratorio Metallurgico agli inizi del 1942, e ai chimici e agli ingegneri chimici fu affidata la responsabilità dello sviluppo del processo di separazione chimica, il lavoro inizialmente svolto a Berkeley servì di base al loro lavoro. Fra le possibili procedure di separazione studiate durante i primi mesi al Laboratorio Metallurgico ci furono la precipitazione, l'estrazione con solventi, la volatilizzazione, l'assorbimento-eluizione e processi pirometallurgici e pirochimici. Tutti i tipi di processi chimici ora usati negli stabilimenti in cui si fabbrica il plutonio, o in corso di sperimentazione, erano stati inclusi in quel primo programma esplorativo dell 1942. Prima della fine dell'anno fu deciso di ricorrere ad un processo di precipitazione perché pareva che esso offrisse la maggiore certezza di un risultato, magari parziale, entro i brevi termini concessi, anche se non sembrava potesse garantire la migliore efficienza e anche se non avrebbe portato al recupero dell'uranio per una riutilizzazione.
Bisognava in sostanza risolvere questo problema: lo sviluppo di un processo grazie al quale si sarebbe potuto separare il plutonio in quantità e purezza elevate dalle tonnellate di uranio nelle quali il plutpnio era presente a una concentrazione massima di circa 250 parti per milione. Data questa bassa concentrazione, i composti di plutonio non potevano essere precipitati. Perciò ogni processo di separazione doveva basarsi su fenomeni di coprecipitazione, ossia sull'uso dei cosiddetti "veicoli" del plutonio. Inoltre, i prodotti di fissione radioattivi che vengono prodotti insieme al plutonio nell'uranio (come risultato della fissione dell'U235) dovevano essere separati in modo tale che meno di una parte sui 10 milioni di parti presenti in origine assieme al plutonio fosse presente nel prodotto finale del processo.
Queste specifiche erano necessarie al fine di garantire la sicurezza del trattamento del plutonio, dato che senza la separazione dei prodotti di fissione il plutonio estratto da ogni tonnellata di uranio avrebbe avuto più di 100.000 Curie di radiazione gamma. Il processo di rimozione dei prodotti di fissione si chiama "decontaminazione". Un aspettto unico del processo perciò consisteva nella necessità di separare completamente una vasta gamma di elementi dal plutonio, e nel compiere queste separazioni a distanza con la protezione di numerose schermature, allo scopo di proteggere il personale addetto dai pericoli delle radiazioni.
Benché ci si fosse accorti che l'uso dei due stati di ossidazione del plutonio, scoperti durante le prime ricerche alla Università di California, sarebbe stato alla base del processo di separazione, dettagli quale il miglior "veicolo" e il migliore agente ossidante non erano ancora stati scoperti. La rimozione massiccia del plutonio IV dalla soluzione acida ad opera del fosfato di bismuto, un fenomeno imprevisto scoperto nel dicembre 1942, assieme alla non trasportabilità, questa prevista, del plutonio VI ad opera dello stesso materiale di trasporto, fornì la chiave del processo. [...]


Glenn Seaborg
 
Seaborg al laboratorio delle Argonne
 
Seaborg, responsabile della commissione per l'Energia Atomica, con il presidente Kennedy