LA PILA DI FERMI

Ci volle un gran lavoro per mettere a punto una reazione a catena. In primo luogo occorreva una notevole quantità di uranio sufficientemente puro perché i neutroni non andassero sprecati restando assorbiti dalle impurità. L'uranio è un elemento abbastanza comune, ma è anche molto disperso, così che sono rari i luoghi al mondo in cui lo si trova in concentrazione ragionevole. Inoltre, prima del 1939 non esistevano utilizzazioni dell'uranio e quindi neppure tecnologie per la sua purificazione. Sotto la direzione di Spedding i laboratori dell'Iowa State College si misero a studiare il problema della purificazione mediante resine scambiatrici di ioni e a partire dal 1942 cominciarono a produrre uranio ragionevolmente puro. A quel punto si dovevano separare le frazioni più fissili dell'uranio. L'isotopo uranio 238 ha un numero pari di protoni (92) e un numero pari di neutroni (146) : i nuclei con un numero pari di nucleoni sono più stabili di quelli con un numero dispari. L'altro isotopo dell'uranio naturale, l'uranio 235, ha invece un numero dispari di neutroni (143), e per ciò la fissione dell'uranio 235 sarebbe stata più facile di quella dell'uranio 238. Infatti la fissione dell'U238 avviene solo quando esso è colpito da neutroni veloci dotati di un'energia superiore a una certa soglia, mentre per la fissione dell'U235 sono sufficienti neutroni di qualsiasi energia, addirittura anche i semplici neutroni termici. Il vero problema era che nell'uranio naturale purificato solo un atomo su 140 è U235, mentre il resto è U238 ; pertanto la maggior parte dei neutroni liberati dalla fissione dell'U235 venivano catturati da atomi di U238 senza produrre fissione alcuna. In pratica la presenza dell'U238 smorzava la reazione a catena fino a farla estinguere. Non restava altro da fare, allora, che cercare di separare su grande scala l'U235 dall'U238. Poiché la massa dell'atomo dell'uranio 235 è inferiore dell'1,3 % a quella dell'uranio 238, se gli atomi fossero allo stato gassoso, quelli dell'U235 sarebbero un po' più veloci di quelle dell'U238, dai quali proprio per la loro velocità si separerebbero passando attraverso uno strato di barriere filtranti. A tale scopo gli scienziati combinarono l'uranio con il fluoro, ottenendo l'esafluoro di uranio, un liquido volatile, e lo fecero passare sotto pressione attraverso varie barriere porose nelle quali ad ogni passaggio le molecole contenenti l'U235 guadagnavano terreno rispetto quelle contenenti l'U238, e dopo un certo numero di barriere i fisici ottennero una concentrazione sufficientemente arricchita di U235. Dal 1942 gli americani, una volta avuta la certezza che il metodo della diffusione gassosa era in grado di produrre uranio arricchito in gran quantità, fecero costruire degli impianti di separazione nella cittadina di Oak Ridge del costo di un miliardo di dollari ciascuno. A quel punto i fisici avevano tutte le carte in mano per creare una reazione nucleare a catena, ma mancava ancora da risolvere un problema : se in ogni fissione 1 neutrone (esattamente 1) ha l'effetto di produrre un'altra fissione, allora la reazione a catena è autosostenuta. Se invece il fattore di moltiplicazione è maggiore di uno, anche di pochissimo, la reazione a catena cresce rapidamente fino a provocare un'esplosione. Era quindi necessario trovare un modo per tenere sotto controllo il processo di fissione ; ciò poteva essere ottenuto inserendo delle sbarre di una sostanza come il cadmio, che ha un'elevata sezione d'urto per la cattura dei neutroni. Enrico Fermi, il 2 dicembre del 1942, riuscì ad ottenere la prima reazione di fissione autosostenuta della storia umana attraverso la pila atomica che aveva costruito a Chicago. Fermi e i suoi collaboratori utilizzarono la pila di Chicago come un potente e stabile amplificatore di flusso di neutroni che permetteva di effettuare accurate misure di sezioni d'urto, e se ne servirono per misurare quanto i diversi tipi di grafite a seconda della loro purezza riuscissero ad influenzare la reattività della pila.

Benché la pila atomica di Fermi fosse stato il primo esempio di reattore nucleare, e di fatto non centri con la questione della bomba atomica, tuttavia l'ho trattata perché in fin dei conti è stato il primo passo che l'uomo fece sulla via dell'energia nucleare. Oltretutto, i fisici che progettarono poi la bomba nucleare usarono parte dell'esperienza acquisita con la costruzione della pila, anche se l'impiego di un'arma tale richiede un atteggiamento differente da quello utilizzato per la pila : ad esempio, se per un reattore i fisici avevano da risolvere il grave problema di dover controllare e mantenere costante la reazione a catena, per la bomba gli scienziati dovevano soltanto capire in che maniera potessero sfruttare al massimo la situazione degenerativa di una reazione a catena totalmente priva di controllo per inferire il massimo dei danni al nemico.

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