Durante le vacanze di Natale del 1938, i fisici Lise Meitner e Otto Frisch ricevettero sconcertanti notizie scientifiche in una lettera privata del chimico nucleare Otto Hahn. Quando bombardava l’uranio con neutroni, Hahn aveva fatto alcune osservazioni sorprendenti che andavano contro tutto ciò che si sapeva all’epoca sui nuclei densi degli atomi-i loro nuclei.
Meitner e Frisch furono in grado di fornire una spiegazione per ciò che vedeva che avrebbe rivoluzionato il campo della fisica nucleare: un nucleo di uranio potrebbe dividersi a metà – o fissione, come lo chiamavano – producendo due nuovi nuclei, chiamati frammenti di fissione. Ancora più importante, questo processo di fissione rilascia enormi quantità di energia. Questa scoperta all’alba della seconda guerra mondiale fu l’inizio di una corsa scientifica e militare per comprendere e utilizzare questa nuova fonte atomica di potere.
Il rilascio di questi risultati alla comunità accademica subito ispirato molti scienziati nucleari per indagare il processo di fissione nucleare ulteriormente. Il fisico Leo Szilardha fatto una realizzazione importante: se la fissione emette neutroni e i neutroni possono indurre la fissione, allora i neutroni dalla fissione di un nucleo potrebbero causare la fissione di un altro nucleo. Tutto potrebbe cascare in un processo “a catena” auto-sostenuto.
Iniziò così la ricerca per dimostrare sperimentalmente che una reazione a catena nucleare era possibile – e 75 anni fa, i ricercatori dell’Università di Chicago ci riuscirono, aprendo la porta a quella che sarebbe diventata l’era nucleare.
Sfruttare la fissione
Come parte dello sforzo del progetto Manhattan per costruire una bomba atomica durante la seconda guerra mondiale, Szilard ha lavorato insieme al fisico Enrico Fermi e ad altri colleghi dell’Università di Chicago per creare il primo reattore nucleare sperimentale al mondo.
Per una reazione a catena sostenuta e controllata, ogni fissione deve indurre solo una fissione aggiuntiva. Ancora, e ci sarebbe un’esplosione. Qualsiasi meno e la reazione sarebbe pietro fuori.
In studi precedenti, Fermi aveva trovato che i nuclei di uranio sarebbe assorbire neutroni più facilmente se i neutroni erano in movimento relativamente lento. Ma i neutroni emessi dalla fissione dell’uranio sono veloci. Quindi, per l’esperimento di Chicago, i fisici hanno usato la grafite per rallentare i neutroni emessi, attraverso più processi di scattering. L’idea era di aumentare le possibilità dei neutroni di essere assorbiti da un altro nucleo di uranio.
Per assicurarsi che potessero controllare in modo sicuro la reazione a catena, la squadra truccato insieme quello che hanno chiamato “barre di controllo.”Questi erano semplicemente fogli dell’elemento cadmio, un eccellente assorbitore di neutroni. I fisici intervallati barre di controllo attraverso la pila uranio-grafite. Ad ogni passo del processo Fermi calcolato l’emissione di neutroni previsto, e lentamente rimosso una barra di controllo per confermare le sue aspettative. Come meccanismo di sicurezza, le barre di controllo del cadmio potrebbero essere rapidamente inserite se qualcosa ha iniziato ad andare storto, per arrestare la reazione a catena.
Chiamarono questa configurazione 20x6x25 piedi Chicago Pile Number One, o CP-1 in breve-e fu qui che ottennero la prima reazione a catena nucleare controllata al mondo il 2 dicembre 1942. Un singolo neutrone casuale è stato sufficiente per avviare il processo di reazione a catena una volta che i fisici hanno assemblato CP-1. Il primo neutrone indurrebbe la fissione su un nucleo di uranio, emettendo una serie di nuovi neutroni. Questi neutroni secondari hanno colpito nuclei di carbonio nella grafite e rallentato. Poi si imbatterebbero in altri nuclei di uranio e indurrebbero un secondo ciclo di reazioni di fissione, emetterebbero ancora più neutroni, e così via. Le barre di controllo del cadmio assicuravano che il processo non continuasse indefinitamente, perché Fermi e il suo team potevano scegliere esattamente come e dove inserirle per controllare la reazione a catena.
Controllare la reazione a catena era estremamente importante: Se l’equilibrio tra neutroni prodotti e assorbiti non fosse esattamente corretto, allora le reazioni a catena o non procederebbero affatto, o nell’altro estremo molto più pericoloso, le reazioni a catena si moltiplicherebbero rapidamente con il rilascio di enormi quantità di energia.
A volte, pochi secondi dopo che la fissione si verifica in una reazione a catena nucleare, vengono rilasciati neutroni aggiuntivi. I frammenti di fissione sono tipicamente radioattivi e possono emettere diversi tipi di radiazioni, tra cui i neutroni. Subito, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner e altri hanno riconosciuto l’importanza di questi cosiddetti “neutroni ritardati” nel controllo della reazione a catena.
Se non fossero presi in considerazione, questi neutroni aggiuntivi indurrebbero più reazioni di fissione del previsto. Di conseguenza, la reazione a catena nucleare nel loro esperimento di Chicago avrebbe potuto spirale fuori controllo, con risultati potenzialmente devastanti. Ancora più importante, tuttavia, questo ritardo temporale tra la fissione e il rilascio di più neutroni consente agli esseri umani di reagire e apportare modifiche, controllando la potenza della reazione a catena in modo che non proceda troppo velocemente.
Gli eventi del 2 dicembre 1942 hanno segnato un enorme traguardo. Capire come creare e controllare la reazione a catena nucleare è stata la base per i 448 reattori nucleari che producono energia in tutto il mondo oggi. Attualmente, 30 paesi includono reattori nucleari nel loro portafoglio di energia. All’interno di questi paesi, l’energia nucleare contribuisce in media il 24 per cento della loro energia elettrica totale, che vanno fino al 72 per cento in Francia.
Il successo del CP-1 fu anche essenziale per la continuazione del progetto Manhattan e la creazione delle due bombe atomiche utilizzate durante la seconda guerra mondiale.
Le domande rimanenti dei fisici
La ricerca per comprendere l’emissione ritardata di neutroni e la fissione nucleare continua nei moderni laboratori di fisica nucleare. La gara oggi non è per la costruzione di bombe atomiche o anche reattori nucleari; è per la comprensione delle proprietà di base dei nuclei attraverso una stretta collaborazione tra esperimento e teoria.
I ricercatori hanno osservato la fissione sperimentalmente solo per un piccolo numero di isotopi – le varie versioni di un elemento in base a quanti neutroni ciascuno ha – e i dettagli di questo complesso processo non sono ancora ben compresi. Modelli teorici all’avanguardia cercano di spiegare le proprietà di fissione osservate, come quanta energia viene rilasciata, il numero di neutroni emessi e le masse dei frammenti di fissione.
L’emissione ritardata di neutroni avviene solo per nuclei che non sono presenti in natura, e questi nuclei vivono solo per un breve periodo di tempo. Mentre gli esperimenti hanno rivelato alcuni dei nuclei che emettono neutroni ritardati, non siamo ancora in grado di prevedere in modo affidabile quali isotopi dovrebbero avere questa proprietà. Inoltre non conosciamo le probabilità esatte per l’emissione ritardata di neutroni o la quantità di energia rilasciata – proprietà che sono molto importanti per comprendere i dettagli della produzione di energia nei reattori nucleari.
Inoltre, i ricercatori stanno cercando di prevedere nuovi nuclei in cui la fissione nucleare potrebbe essere possibile. Stanno costruendo nuovi esperimenti e potenti nuove strutture che forniranno l’accesso a nuclei che non sono mai stati studiati prima, nel tentativo di misurare direttamente tutte queste proprietà. Insieme, i nuovi studi sperimentali e teorici ci daranno una comprensione molto migliore della fissione nucleare, che può contribuire a migliorare le prestazioni e la sicurezza dei reattori nucleari.
Sia la fissione che l’emissione ritardata di neutroni sono processi che avvengono anche all’interno delle stelle. La creazione di elementi pesanti, come l’argento e l’oro, in particolare può dipendere dalla fissione e dalle proprietà di emissione ritardata di neutroni dei nuclei esotici. La fissione rompe gli elementi più pesanti e li sostituisce con quelli più leggeri (frammenti di fissione), cambiando completamente la composizione dell’elemento di una stella. L’emissione ritardata di neutroni aggiunge più neutroni all’ambiente stellare, che possono quindi indurre nuove reazioni nucleari. Ad esempio, le proprietà nucleari hanno svolto un ruolo vitale nell’evento di fusione di stelle di neutroni che è stato recentemente scoperto da osservatori di onde gravitazionali ed elettromagnetici in tutto il mondo.
La scienza ha fatto molta strada dalla visione di Szilard e dalla prova di Fermi di una reazione a catena nucleare controllata. Allo stesso tempo, sono emerse nuove domande, e c’è ancora molto da imparare sulle proprietà nucleari di base che guidano la reazione a catena e il suo impatto sulla produzione di energia qui sulla Terra e altrove nel nostro universo.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato sulla Conversazione.
Artemis Spyrou, Professore associato di Astrofisica nucleare, Michigan State University
Wolfgang Mittig, Professore di Fisica, Michigan State University