SCIENZA A SCUOLA

Esperienze scolastiche


Quel Giorno a Chicago

di Albert Wattemberg
Enrico Fermi fu un docente favoloso ed un grande fisico sperimentale. Aveva un'intuizione ed una abilità teorica che gli permettevano di risolvere i problemi importanti e di tralasciare quelli secondari. Vero è che molte persone hanno contribuito agli avvenimenti che ebbero luogo il 2 dicembre 1942, ma non c'è alcun dubbio che questa data commemora Enrico Fermi.
... Vorrei descrivere gli esperimenti che hanno portato alla prima pila, gli avvenimenti del giorno in cui la pila entrò in funzione, e vorrei dire qualcosa sui giorni che seguirono.
Il gruppo della Columbia University, e precisamente Anderson, Feld, Weil e Zinn, sotto la guida di Fermi, aveva sviluppato una tecnica molto precisa per studiare la possibilità di costruire una pila a reazione a catena. Fu costruita una pila sperimentale di circa 3 metri per 3 ed alta 4 metri, di quelle che venivano chiamate pile esponenziali, nella quale si effettuarono misure della distribuzione dei neutroni. Mentre eravamo alla Columbia, Fermi lavorava con noi e prese parte a queste misure. Più tardi, quando ciò non gli fu più possibile, egli arrivava al Laboratorio e guardava i numeri che avevamo misurato e i calcoli finali. Voleva vederli entrambi. Voleva che facessimo il calcolo completo cosicché potessimo ben comprendere ciò che stavamo facendo. Tendeva sempre ad ottenere i numeri di partenza per poi controllare personalmente i calcoli finali.
Nell'aprile del 1942 ci trasferimmo dalla Columbia alla Università di Chicago. I risultati degli ultimi esperimenti erano stati scoraggianti. La grafite e l'ossido di uranio che adoperavamo non erano abbastanza puri. In effetti con quei materiali persino una pila ingrandita all'infinito non avrebbe mai potuto produrre una reazione a catena.
Appena giunti a Chicago arrivò della nuova grafite, circa quattromila blocchi, e noi costruimmo una nuova pila esponenziale. Circa un mese dopo il nostro arrivo ottenemmo la prima indicazione sicura che era possibile realizzare una reazione di neutroni a catena autosostenentesi. Ma la pila avrebbe dovuto essere di volume enorme. Per la precisione, avremmo avuto bisogno di circa 50 milioni di kg di grafite.
In giugno ottenemmo per la prima volta dell'ossido nero di uranio che era migliore dell'ossido marrone che avevamo usato fino ad allora. Quasi contemporaneamente ottenemmo della grafite più pura. Con l'ossido nero di uranio il risultato fu assai incoraggiante, in quanto avremmo potuto costruire una pila con circa 400.000 kg di grafite. Una tale quantità di grafite e di uranio poteva essere pronta per dicembre. Su questa base, si cominciarono a costruire gli edifici del Laboratorio di Argonne, fuori Chicago.
Comunque, i mesi che seguirono ci riservarono molte delusioni. Le nostre speranze avevano alti e bassi esattamente come le misure delle pile esponenziali. In queste venti settimane realizzammo circa venti pile esponenziali. Ogni volta che ne costruivamo una significava spostare circa 10.000 mattoni di grafite in due giorni. Poi dovevamo effettuare misure per due giorni. Allo stesso tempo, dovevamo dirigere gli operai non specializzati che tagliavano, piallavano e bucavano la grafite e che fabbricavano i piccoli mattoni di ossido di uranio.
La prima delusione fu dovuta al fatto che solo parte della grafite era pura, mentre altre parti erano impure. Tutta la grafite doveva essere controllata e tenuta separata. Comunque, le nostre speranze si riaccesero quando ci fu detto che l'uranio metallico sarebbe arrivato alla fine dell'estate.
Finalmente arrivò il primo carico di uranio metallico per le prove. Consisteva in cubetti di circa due centimetri di lato. Cominciammo a mettere insieme i cubi in gruppi di circa otto pezzi. Quando i pezzi di uranio furono raggruppati cominciarono a fumare, e il nostro prezioso materiale andò così perduto per combustione, con nostro grande sconforto. Si trattava di uranio sotto forma di metallo sinterizzato che bruciava molto lentamente. Comunque, una quota sempre maggiore della grafite in arrivo era di buona qualità, e alla fine arrivò dell'uranio metallico incombustibile.
Durante questo periodo Fermi continuava ad istruirci come fisici e tenne per noi delle lezioni una sera alla settimana per tutti i mesi di settembre e di ottobre.
Fu una serie di lezioni meravigliose sulla teoria delle pile, durante le quali egli derivò le formule per il tasso di aumento del flusso di neutroni. In questi corsi egli sviluppò i procedimenti che debbono essere usati per mettere in funzione una pila per la prima volta.
Nel corso del mese di ottobre divenne evidente che il nuovo edificio per la prima pila non sarebbe stato completato per dicembre. Dopo tre settimane, ottenemmo l'autorizzazione a montare la pila sotto le tribune del campo sportivo dell'Università di Chicago: lo Stagg Field. Il 16 novembre il Dr. A.C. Graves mise in posizione il primo strato di grafite. Ogni giorno Fermi ci diceva esattamente quale tipo di materiale dovevamo mettere in ogni parte dei singoli strati. Egli stesso effettuava i calcoli dettagliati per ottenere il massimo dal materiale a nostra disposizione. Ci diceva anche esattamente dove piazzare le barre di controllo. Era necessario mettere il materiale impuro all'esterno ed il materiale migliore al centro per ottenere il rendimento massimo del materiale disponibile.
La pila consisteva in circa 40.000 mattoni di grafite e circa 20.000 pezzi di uranio. Secondo il progetto, doveva essere approssimativamente una sfera di otto metri di diametro. Noi continuavamo a mettere al suo posto la grafite ed al tempo stesso a costruire la pila. Ogni notte si prendevano misure sulla densità dei neutroni. Alla fine della prima settimana, le misure indicavano che la pila avrebbe funzionato.
La settimana seguente arrivò un quantitativo di ottimo uranio metallico. Era stato preparato dai chimici dell'Università dello Iowa. Ciò significava che la pila invece di essere sferica sarebbe stata piatta nella parte superiore; invece dei 68 strati previsti, avrebbe funzionato con circa 55 strati.
Il 30 novembre la pila aveva raggiunto 53 strati. Le misure fatte quella notte confermarono che la pila sarebbe diventata critica con due strati di più, ma senza barre di controllo. li giorno seguente, il 10 dicembre, Fermi ci disse di aggiungere altri quattro strati e si fece promettere da Zinn e da Anderson di non estrarre le barre quella notte.
La mattina seguente, il 2 dicembre, quelli del nostro gruppo che avevano costruito la pila, compreso il gruppo della strumentazione sotto la guida del Dr. Wilson, oltre ai Dottori Compton, Hilberry, Wigner e pochi altri, ci riunimmo sul soppalco situato sul lato nord della pila. Verso le nove e mezzo del mattino tutte le barre di controllo furono estratte dalla pila, eccetto una che il Dr. George Weil doveva manovrare a mano. Fermi disse a Weil di estrarre parzialmente la barra dalla pila e di mantenerla in una posizione che egli aveva già calcolato. Gli strumenti indicavano che il numero dei neutroni nella pila prima aumentava e poco dopo si stabilizzava. Fermi fece un calcolo su un piccolo regolo e ripeté questo tipo di operazione alcune volte, manifestando soddisfazione.
Desidero qui spiegare che ci sono due metodi per misurare la distanza dal punto critico di una pila: il primo consiste nel misurare l'attività, ovvero quando l'attività è stabilizzata; l'altro metodo è quello di misurare il tasso iniziale di aumento del flusso di neutroni. C'era qualche incertezza nel valore di una delle costanti usate nella formula per il tasso d'aumento. Da queste prime misure Fermi ottenne il valore della costante. Era il valore che aveva sperato.
Fermi chiese quindi a Weil di estrarre di altri quindici centimetri la barra. Alle persone a lui vicine disse che la pila era ancora sottocritica e che l'attività si sarebbe stabilizzata a quel livello. Stava ora cercando di controllare se le sue formule dessero dati corretti. L'attività della pila salì e andò esattamente al livello che Fermi aveva previsto.
A questo punto, l'attività era divenuta troppo elevata per alcuni degli strumenti e, come in ogni altro esperimento, c'erano altri strumenti che non si comportavano come dovevano. Di conseguenza, ci volle del tempo per riparare o modificare parte della strumentazione. Dopo di che, Fermi disse a Weil di estrarre la barra di altri quindici centimetri. La pila era ancora subcritica. Comunque, appena l'attività incominciò a stabilizzarsi, ci fu un forte colpo. Accadde che una barra di sicurezza automatica, collegata a una camera di ionizzazione era entrata in funzione e si era inserita nella pila. Erano a questo punto le undici e mezzo e Fermi disse: "Andiamo a mangiare un boccone".
Dopo mangiato, tutte e barre, eccetto una, furono estratte. L'ultima fu rimessa nella posizione alla quale Fermi aveva fatto le misure durante la mattinata e la strumentazione fu ricontrollata. La barra fu poi rimessa nella posizione in cui si trovava prima che fossimo andati a mangiare, e ciò per controllare nuovamente che niente fosse cambiato nella pila. Finalmente, alle tre e venticinque Fermi disse a Weil: "Questa volta tiriamo fuori la barra di altri trenta centimetri". Egli spiegò a Compton che la pila si sarebbe ora autosostenuta: in altri termini, l'attività non si sarebbe stabilizzata e avrebbe continuato a salire.
Dopo un minuto Fermi lesse uno strumento e fece un rapido calcolo. Dopo un altro minuto lesse di nuovo lo strumento ed effettuò altri calcoli. Dopo tre minuti lesse di nuovo lo strumento ed effettuò di nuovo un calcolo. Stava controllando se il valore della costante nella sua formula fosse il medesimo sia per una pila capace di autosostenersi che per una pila subcritica. Egli voleva anche essere certo che l'attività stesse continuando a salire e che non si sarebbe stabilizzata.
Tutto stava funzionando secondo le sue previsioni e sul suo volto apparve un sorriso. Poi annunciò: "La reazione è autosostenuta. La curva è esponenziale". Lasciò quindi salire l'attività della pila per circa ventotto minuti e questa continuò ad aumentare costantemente. Poi fece inserire tutte le barre di controllo nella pila e questa si spense. Fermi era riuscito a provocare e controllare una reazione nucleare a catena. L'avvenimento fu appropriatamente festeggiato con un fiasco di Chianti, sfortunatamente troppo piccolo.
Nei giorni seguenti Fermi cominciò subito ad utilizzare la pila quale strumento per molti usi: per studiare le caratteristiche delle pile, per effettuare ricerche di fisica nucleare e anche per analizzare materiale da usare nelle pile future. Nei primissimi giorni si presentò il problema di come dovevamo far funzionare la pila. Cercavamo di farla funzionare sia lasciandola andare su e giù lentamente, sia tenendo ben fermo il livello dell'attività. Le difficoltà che sorsero in questa operazione erano dovute in parte agli strumenti, ed in parte agli effetti dei cambiamenti della pressione atmosferica. La pila si rivelò il barometro più grande e più sensibile del mondo. Studiammo anche la dipendenza di un reattore dalla temperatura aprendo semplicemente tutte le porte e le finestre all'aria fredda dì Chicago. Misurammo anche la radiazione presente nell'ambiente della pila. Ai primi di gennaio stavamo già insegnando al personale come far funzionare altre pile. Fu un periodo di enorme progresso.
Anche Fermi usò la pila per misurare la sezione d'urto per neutroni per circa dieci elementi. Sembrava che egli provasse la più grande gioia quando usava la pila per condurre degli esperimenti che prima gli avrebbero portato via molto tempo: era affascinato dalla possibilità di usare la pila come strumento per esperimenti.
Gli avvenimenti del 2 dicembre non solo segnarono l'avvento di una reazione a catena del nucleo atomico, ma innescarono anche una reazione a catena nella nostra tecnologia. Fermi produsse inoltre una reazione a catena fra i fisici a causa della sua meravigliosa personalità e del suo genio come scienziato e maestro. Egli ebbe una profonda influenza sui fisici con i quali venne a contatto, ed anche sui loro studenti. I risultati di tale influenza sono molto evidenti tra i fisici che ho incontrato in Italia. Quattro colleghi e allievi di Fermi hanno ricevuto il Premio Nobel.

Albert Wattenberg
 
Wattenberg durante la costruzione della pila a Chicago
 
La bottiglia di Chianti con le firme dei partecipanti con la quale si brindò al successo per la prima pila