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 all'epoca si sapeva sui densi nuclei di atomi - i loro nuclei.
Meitner e Frisch furono in grado di fornire una spiegazione di ciò che vide che avrebbe rivoluzionato il campo della fisica nucleare: un nucleo di uranio poteva dividere 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 agli albori della seconda guerra mondiale fu l'inizio di una razza scientifica e militare per comprendere e usare questa nuova fonte atomica di potere.
Lezioni di Leo Szilard sul processo di fissione (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Il rilascio di questi risultati alla comunità accademica ha immediatamente ispirato molti scienziati nucleari a studiare ulteriormente il processo di fissione nucleare. Il fisico Leo Szilard ha realizzato un'importante realizzazione: se la fissione emette neutroni e i neutroni possono indurre fissione, i neutroni della fissione di un nucleo potrebbero causare la fissione di un altro nucleo. Potrebbe tutto in cascata in un processo di "catena" autosufficiente.
Iniziò così la ricerca per dimostrare sperimentalmente che era possibile una reazione a catena nucleare - e 75 anni fa, i ricercatori dell'Università di Chicago riuscirono, aprendo le porte a quella che sarebbe diventata l'era nucleare.
Sfruttare la fissione
Nell'ambito dello sforzo del Progetto Manhattan di costruire una bomba atomica durante la seconda guerra mondiale, Szilard ha lavorato insieme al fisico Enrico Fermi e 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. Meno e la reazione si esaurirebbe.
Il vincitore del Premio Nobel Enrico Fermi ha guidato il progetto (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) In studi precedenti, Fermi aveva scoperto che i nuclei di uranio assorbirebbero più facilmente i neutroni se i neutroni si muovessero relativamente lentamente. 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 molteplici processi di scattering. L'idea era di aumentare le possibilità dei neutroni di essere assorbito da un altro nucleo di uranio.
Per essere sicuri di poter controllare in sicurezza la reazione a catena, il team truccò insieme quelle che chiamavano "barre di controllo". Questi erano semplicemente fogli di cadmio, un eccellente assorbitore di neutroni. I fisici hanno sparpagliato le barre di controllo attraverso la pila di uranio-grafite. Ad ogni fase del processo Fermi calcolava l'emissione di neutroni prevista e rimuoveva lentamente un'asta di controllo per confermare le sue aspettative. Come meccanismo di sicurezza, le aste di controllo del cadmio potrebbero essere inserite rapidamente se qualcosa inizia a non funzionare, per arrestare la reazione a catena.
Chicago Pile 1, eretto nel 1942 sulle tribune di un campo sportivo presso l'Università di Chicago. (Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA) Chiamarono questa configurazione Chicago Pile Number One 20x6x25 piedi, o CP-1 in breve - ed era qui che ottennero la prima reazione a catena nucleare controllata il 2 dicembre 1942. Un singolo neutrone casuale fu sufficiente per iniziare 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 colpiscono i nuclei di carbonio nella grafite e rallentano. Quindi si imbattevano in altri nuclei di uranio e inducevano un secondo giro di reazioni di fissione, emettevano ancora più neutroni e così via. Le aste di controllo del cadmio si sono assicurate che il processo non potesse continuare indefinitamente, perché Fermi e il suo team potevano scegliere esattamente come e dove inserirli per controllare la reazione a catena.
Una reazione a catena nucleare. Le frecce verdi mostrano la divisione di un nucleo di uranio in due frammenti di fissione, emettendo nuovi neutroni. Alcuni di questi neutroni possono indurre nuove reazioni di fissione (frecce nere). Alcuni dei neutroni potrebbero essere persi in altri processi (frecce blu). Le frecce rosse mostrano i neutroni ritardati che vengono successivamente dai frammenti di fissione radioattivi e che possono indurre nuove reazioni di fissione. (MikeRun modificato da Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) Il controllo della reazione a catena era estremamente importante: se l'equilibrio tra neutroni prodotti e assorbiti non era esattamente corretto, le reazioni a catena non procedevano affatto, o nell'altro estremo molto più pericoloso, le reazioni a catena si moltiplicavano rapidamente con il rilascio di enormi quantità di energia.
A volte, pochi secondi dopo che si è verificata la fissione in una reazione a catena nucleare, vengono rilasciati neutroni aggiuntivi. I frammenti di fissione sono in genere radioattivi e possono emettere diversi tipi di radiazioni, tra cui i neutroni. Immediatamente, 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 della catena nucleare nel loro esperimento di Chicago avrebbe potuto sfuggire al controllo, con risultati potenzialmente devastanti. Ancora più importante, tuttavia, questo ritardo tra la fissione e il rilascio di più neutroni concede un po 'di tempo agli esseri umani per reagire e fare aggiustamenti, controllando il potere della reazione a catena in modo che non proceda troppo velocemente.
Oggi le centrali nucleari operano in 30 paesi. (Foto AP / John Bazemore) Gli eventi del 2 dicembre 1942 segnarono un'importante pietra miliare. Capire come creare e controllare la reazione a catena nucleare è stata la base per i 448 reattori nucleari che producono energia oggi in tutto il mondo. Attualmente, 30 paesi includono reattori nucleari nel loro portafoglio di energia. All'interno di questi paesi, l'energia nucleare contribuisce in media al 24 percento della loro energia elettrica totale, arrivando fino al 72 percento in Francia.
Il successo di CP-1 è stato anche essenziale per la continuazione del Progetto Manhattan e la creazione delle due bombe atomiche utilizzate durante la seconda guerra mondiale.
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 di oggi non è per la costruzione di bombe atomiche o persino di reattori nucleari; serve a comprendere le 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 basato su quanti neutroni hanno ciascuno - e i dettagli di questo complesso processo non sono ancora ben compresi. I 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 si verifica solo per i nuclei che non si trovano 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 potrebbe essere possibile la fissione nucleare. Stanno costruendo nuovi esperimenti e nuove potenti 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 forniranno una comprensione molto migliore della fissione nucleare, che può aiutare a migliorare le prestazioni e la sicurezza dei reattori nucleari.
Rappresentazione dell'artista di due stelle di neutroni che si fondono, un'altra situazione in cui si verifica la fissione. (Goddard Space Flight Center / CI Lab della NASA, CC BY) Sia la fissione che l'emissione ritardata di neutroni sono processi che avvengono anche all'interno delle stelle. La creazione di elementi pesanti, come argento e oro, in particolare può dipendere dalla fissione e dalle proprietà ritardate di emissione di neutroni di nuclei esotici. La fissione rompe gli elementi più pesanti e li sostituisce con elementi più leggeri (frammenti di fissione), cambiando completamente la composizione degli elementi di una stella. L'emissione ritardata di neutroni aggiunge più neutroni all'ambiente stellare, che può quindi indurre nuove reazioni nucleari. Ad esempio, le proprietà nucleari hanno svolto un ruolo vitale nell'evento di fusione delle stelle di neutroni che è stato recentemente scoperto dagli osservatori di onde gravitazionali ed elettromagnetiche 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 su The Conversation.
Artemis Spyrou, professore associato di astrofisica nucleare, Michigan State University
Wolfgang Mittig, professore di fisica, Michigan State University
