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"IL NAVIGATORE ITALIANO E' SBARCATO NEL NUOVO MONDO": LA SFIDA SEGRETA VINTA CON LA REAZIONE A CATENA A CHICAGO

Sebbene Los Alamos sia stato selezionato come il sito del laboratorio che avrebbe progettato l'arma nucleare per il Manhattan Engineer District (MED), fu solo dal 2 Dicembre 1942, che Enrico Fermi e il suo gruppo al laboratorio metallurgico all'Università di Chicago ottenne una dimostrazione sperimentale di una reazione a catena. Questo fu il risultato di un programma iniziato nel 1939 in risposta alla al Presidente Franklin Delano Roosevelt allarmato dal programma tedesco  di sfruttare la fissione per scopi militari. Ci vollero tre anni per ottenere questo risultato che dimostrò il tipo pericolo, sebbene sconosciuto ai fisici americani, se i tedeschi avessero avuto successo nell'ottenimento della reazione a catena nei loro esperimenti.

L'ottenimento di una reazione a catena era importante, non solo perché avrebbe verificato il principio della bomba atomica, ma anche perché una pila con reazione a catena avrebbe potuto essere usata per la produzione di plutonio, uno degli esplosivi che gli scienziati americani avevano sperato di usare nelle loro armi. Intanto il Comandante del MED Leslie Groves ha già chiesto alla DuPont Corp. di mandare in produzione reattori a Hanford, Washington., per tale scopo.

Fermi fu il campione dello sforzo americano nella gara segreta per ottenere una reazione a catena con l'uranio. Il suo antagonista fu il fisico tedesco Werner Heisenberg uno dei fondatori della meccanica quantistica e quasi il principale fisico teorico mondiale.

Mentre Fermi sceglieva grafite per rallentare, o "moderare", i neutroni prodotti nella fissione dell'uranio 235 per consentire ulteriori fissioni in una reazione a catena, Heisenberg scelse acqua pesante, in parte perché esperimenti condotti da Walter Bothe all'Università di Heidelberg indicavano che la grafite pura era inadeguata come moderatore.

Questi risultati erano basati su calcoli errati e davano a Fermi un vantaggio. L'acqua pesante era stata scelta anche perché i primi esperimenti di Heisenberg con la paraffina come moderatore avevano fallito nella produzione di una reazione a catena. I primi esperimenti di Fermi al Columbia usarono invece grafite altamente purificata.

Il prezzo era di $6.000 per 40 ton purificata dal boro e altri elementi che assorbono i neutroni e che avrebbero potuto inibire una reazione a catena. Esso aumentò a $40.000 quando fu creata la National Defense Research Committee nel 1940. Nessuna delle pile costruite al Columbia con questi fondi diede una moltiplicazione di neutroni maggiori di uno, perché doveva solo indicare la fattibilità della reazione a catena.

I primi esperimenti di Heisenberg con l'acqua pesante al Kaiser-Wilhelm Institute a Berlino-Dahlem e a Lipsia, Germania, furono sufficientemente incoraggianti tanto da promuovere l'energia nucleare nel governo tedesco. Egli avvertì i suoi governanti nell'autunno del 1941 che gli Americani stavano lavorando su un esplosivo nucleare (plutonio) che si poteva ottenere in una pila con reazione a catena. L'animazione derivò dal ricevere la più alta priorità per questo lavoro da parte di Albert Speer, ministro dei rifornimenti di Hitler. La pila di Lipsia, tuttavia, bruciò a causa di una reazione piroforica della polvere d'uranio con l'aria, e il bombardamento alleato di Berlino spinse Heisenberg a spostare i suoi materiali a Haigerloch nel Württemberg, Germania.

Dopo la decisione del governo degli Stati Uniti di avviare un programma su larga scala per la costruzione della bomba atomica nell'Ottobre 1941, la pila di Fermi fu spostata all'Università di Chicago, dove fu ricostruita in un campo di squash sotto gli stand dello Stagg Field, che non erano più in uso da tempo. Qui, usò l'uranio metallico, invece della polvere piroforica di Heisenberg o ossido di uranio già usato in precedenza negli esperimenti alla Columbia, per costruire una pila più grande.

La pila di Chicago comprendeva 400 ton di grafite e 22000 "pseudosfere" di uranio disposte in 57 strati con lamine di cadmio inchiodate su strisce di legno piatte come barre di controllo e sicurezza. Il 2 Dicembre Fermi supervisionò le fasi finali del suo esperimento. Calcolò il numero di neutroni attesi per la fissione quando la barra di controllo era mossa nella pila. Inoltre per maggiore sicurezza usò barre controllate elettronicamente in modo da poterle muovere se il rivelatore di neutroni indicava una reazione incontrollata, e ancora, appesantite con piombo, sarebbero cadute nella pila se il fisico Norman Hilberry avesse tagliato una fune con un'accetta. Se tutto fosse andato male, una squadra di tre "fisici suicidi" avrebbero allagato la pila con solfato di cadmio.

Quella mattina, Fermi ordinò che la barra di controllo fosse tolta dalla pila piede dopo piede fino a che una delle barre di sicurezza, regolata ad un punto stabilito che aveva dimenticato, fu liberata e scivolò nella pila, cadendo di peso sul pavimento. Egli ordinò di estrarla ancora, vide i contatori indicare il flusso precedente e poi ruppe la tensione invitando i collaboratori ad interrompere per il pranzo. Dopo pranzo, la barra di controllo fu estratta di altri 3 metri, poi altri 15 cm, poi, dopo aver reinserito la barra di sicurezza, di altri 30 cm. La barra di sicurezza fu ritirata e i contatori ticchettavano quando la quantità che indicava la moltiplicazione dei neutroni raggiunse il valore stabilito, indicando una autosostenentesi.

Dopo aver funzionato per 28 minuti, producendo circa 200 watt di potenza, la pila fu spenta. Eugene Wigner (un fisico ungherese che aveva aiutato Einstein a scrivere la lettera a FDR) passò a Fermi una bottiglia di Chianti Bertolli e passò dei bicchieri di carta ai collaboratori. Leona Woods Marshall, la sola donna presente, ruppe il silenzio con il commento: "Speriamo di essere i primi ad avere avuto successo".

Arthur Compton a capo del NDRC, telefonò in forma criptata a James Conant, "il navigatore Italiano è sbarcato nel Nuovo Mondo," la frase segreta stabilita come segnale di successo.

Il successo della pila assicurò a Los Alamos la disponibilità di plutonio, così come di uranio, come potenziale esplosivo nucleare. Furono poi costruite pertanto la pila gigante ad Hanford e l'impianto di separazione dell'isotopo di uranio a Oak Ridge, Tenn., che avrebbero dovuto fornire materiale sufficiente per queste armi. []

(tratto e tradotto dalla Los Alamos Library: testo reso disponibile in occasione del centenario della nascita di Fermi)

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Progetto della pila con la forma dei partecipanti


La struttura in grafite della Pile1


La struttura del reattore


Modello del primo reattore nucleare