Dalla Pila alla Bomba: Gemelli Atomici

La storia dell’energia nucleare è sempre stata segnata da quello che alcuni hanno considerato quasi come il peccato originale. Le bombe nucleari, le più famose quelle di Hiroshima e Nagasaki hanno segnato la nostra percezione su tutto quello che contiene la parola “nucleare”. Comprensibile che, con così tante sofferenze, dolori e disastri, la sensazione primaria sia quella della paura, del terrore e della minaccia imminente.

Come tutto ebbe inizio: da una lettera alla guerra

La storia di come la parola “nucleare” ha cambiato accezione nel mondo nasce da una lettera [0], firmata e sottoscritta da qualcuno che non ha certo bisogno di presentazione: un certo Albert Einstein. La stessa lettera però fu scritta da un uomo, un fisico teorico, che anni prima, nel 1932, ebbe la prima intuizione della possibilità di una reazione a catena, principio su cui si basa la fisica nucleare: quest’uomo era Leo Szilard.  La lettera conteneva un messaggio importante, un avvertimento su quello che sarebbe potuto succedere se l’energia derivante dalla scissione dell’atomo fosse finita nelle mani dei nazisti. Le preoccupazioni erano evidenti, a causa dell’interessamento dei Nazisti per l’uranio proveniente dal Congo belga. Nel Gennaio del ’39, Hanz e Strassmann riportarono la scoperta della fissione dell’uranio e altri dopo di loro confermarono la scoperta: tra questi ricordiamo Fermi, Dunning e Meitner.

È il 2 Agosto 1939, l’aria è calda e non perché sia estate: si percepisce grande preoccupazione. A meno di un mese di distanza i nazisti invaderanno la Polonia, decretando l’inizio della guerra più violenta che l’uomo abbia mai visto. In quel giorno Franklin D. Roosevelt riceverà la lettera, il messaggio era chiaro: gli Stati Uniti devono avviare un programma nucleare. S

L’ora del cambiamento è adesso

zilard scrisse che una bomba del genere, trasportata con una imbarcazione, avrebbe potuto far saltare l’intera area portuale con parte del territorio circostante. Aggiunse inoltre che, dato il peso e le dimensioni, queste bombe non erano utilizzabili con il trasporto aereo. Purtroppo, sarà smentito mesi dopo da Otto Frisch e Rudolf Peierls, che stimarono la massa critica dell’uranio per lo sviluppo di un ordigno ridimensionando la quantità necessaria di Uranio-235, rendendo quindi praticamente più fattibile la sua costruzione. Altri saranno gli aspetti chiave della fattibilità della bomba, ma certo questa scoperta merita una menzione importante.

Nonostante questo errore di valutazione Szilard sarà un protagonista indiscusso dell’inizio dell’era nucleare: insieme a Fermi contribuirà agli esperimenti con uranio e grafite che nel 2 Dicembre del 1942 porteranno alla costruzione della prima pila atomica, ovvero il primo reattore artificiale a fissione del mondo, dimostrando la fattibilità della reazione a catena. Storiche le parole di un altro grande della fisica mondiale, Arthur Compton, che, per avvertire Conant, il presidente del National Defense Research Committee, comunicherà in codice la riuscita dell’esperimento: “The Italian navigator has just landed in the new world” (Il navigatore italiano è appena sbarcato nel nuovo mondo).

Il primo obiettivo cruciale del Progetto Manhattan era stato raggiunto: l’era nucleare era ufficialmente iniziata. Ancor prima della costruzione della Pila, il Progetto Manhattan passò dall’essere improntato sulla ricerca per l’approvvigionamento di Uranio e Plutonio ad un vero e proprio progetto per la costruzione di un ordigno alla fine del 1942 [1].

Oppenheimer, l’antieroe di cui il mondo aveva bisogno

130mila persone lavoravano in segreto in diversi posti degli USA, GB e Canada. Erano scienziati da tutto il mondo, in buona parte ebrei, guidati dal 1943 da un uomo oggi noto negli USA come “il padre della bomba atomica”: Julius Robert Oppenheimer [2].

Noto per numerosi studi nella meccanica quantistica e nella fisica nucleare, come l’ approssimazione di Born-Oppenheimer per le funzioni d’onda molecolari, con i suoi studenti ha anche contribuito alla teoria delle stelle di neutroni e dei buchi neri, alla teoria quantistica dei campi e alle interazioni dei raggi cosmici. Oltre alle scoperte scientifiche e al contribuito indiscutibile per la bomba, di Oppenheimer si dicono molte altre cose: che fosse un fumatore incallito, che avesse atteggiamenti autodistruttivi e una forte depressione a tal punto che, a detta del fratello, avesse bisogno più della fisica che dei suoi amici, con cui però amava discutere in modo molto acceso e vivace. E non lo si può biasimare… nella sua vita ebbe modo di conoscere e discutere con i più grandi del ‘900, tra i più famosi Pauli, Dirac, Heisenberg e Fermi.

Oppenheimer si dedicherà già dal 1941 agli studi sui neutroni veloci e sarà definito “Coordinator of rapid rupture”. Egli, infatti, si dedicò inizialmente allo studio della propagazione dei neutroni veloci dell’ordigno, per poi essere nominato capo direzione del laboratorio di armi segrete del Progetto Manhattan dal generale Leslie R. Groves Jr., responsabile militare del progetto. Egli era preoccupato che non fosse visto come un’autorità dagli altri scienziati, non avendo egli stesso un premio Nobel. Oppenheimer aveva però dalla sua parte grandi competenze interdisciplinari e tanta ambizione, condita da un sano tocco di arroganza. Inoltre, le sue simpatie per ambienti di sinistra e filocomunisti, a volte eccessivamente ingigantite anche da lui stesso, fecero storcere il naso a chi probabilmente ambiva a quel posto. Era sicuramente un personaggio sui generis: Victor Weisskopf si espresse così sul suo lavoro a Los Alamos: 

Il resto della comunità scientifica

L’ansia tra gli scienziati del progetto era grande. La paura che i nazisti stessero costruendo anche loro un ordigno, il terrore di arrivare in ritardo… avevano tutti bisogno di una guida importante e Julius era il giusto connubio tra genio e sregolatezza. Secondo varie indiscrezioni, mentre assisteva all’esplosione Trinity, Oppenheimer pensò ai versi della Bhagavad Gita: “Se la radiosità di mille soli dovesse irrompere contemporaneamente nel cielo, sarebbe come lo splendore del potente … Ora sono diventato Morte, il distruttore di mondi.” 

Oppenheimer era infatti molto vicino alla religione induista, durante la sua vita lo aveva aiutato a trovare risposte alle sue domande esistenziali e lo aiuterà anche nel dopoguerra, quando iniziò ad avere dei rimorsi di coscienza per aver contribuito attivamente allo sviluppo della bomba. Egli, dunque, combatterà contro lo sviluppo di ordigni nucleari post-guerra e soprattutto allo sviluppo della bomba H. Verrà per questo motivo allontanato da posizioni di potere, con accuse diffamatorie che lo vedevano vicino al mondo comunista. L’anticomunismo post-guerra negli USA in quel periodo era infatti molto sentito: le basi per la guerra fredda erano già state delineate.

E bomba fu: vari tipi di ordigni nucleari

Dopo meno di un mese dal test Trinity, dove venne sganciato il primo ordigno nucleare della storia “The Gadget” [3] composto dal “Christy Gadget” (due semisfere di plutonio di circa dieci centimetri di diametro, costituite da poco meno di otto chilogrammi di plutonio contenente per il 96% isotopi di plutonio-239), vennero sganciate il 6 e l’9 Agosto “Little Boy” e “Fat Man” [4] [5].

I due ordigni avevano tecnologie e materiale fissile differente. Little boy, il primo ordigno utilizzato in guerra, era composto da 64,13 kg di Uranio, arricchito all’80%, ed era un ordigno di tipologia “Gun-type”, cioè in cui due o più masse sub-critiche di materiale fissile vengono sparate l’una contro l’altra, creando una massa critica e innescando una reazione a catena nucleare. Le due masse sub-critiche in questo caso erano un proiettile di uranio di 38,53 kg e un target di 25,6 kg anch’esso di uranio. L’esplosione coinvolse una piccolissima parte dell’uranio, lo 0.0011%, e portò alla morte istantanea di circa 70 mila persone nella città di Hiroshima. Questo ordigno basato sulla detonazione balistica (appunto gun type) verrà subito abbandonato a fronte dell’utilizzo di bombe a implosione.

Fat Man e Little Boy

Fat Man fu il secondo e l’ultimo ordigno nucleare usato in guerra, fino ad oggi, sganciato sulla cittadina di Nagasaki. Era basato sul plutonio come “The Gadget”: impiegava infatti un sistema a implosione. L’esplosivo andava a circondare la sfera cava di plutonio-239 facendola implodere e permettendogli di raggiungere la massa critica. I deceduti furono inferiori rispetto a Hiroshima, anche se la bomba sviluppò una potenza di 25 chilotoni, maggiore rispetto ai 16 di Hiroshima.

Questo perché Nagasaki non era la prima scelta di località delegata per lo sgancio: essendo un territorio collinare la bomba non si espresse al massimo il suo potenziale, portando comunque alla morte di circa 30mila persone. La città di Kokura, luogo scelto per l’esplosione, quel giorno fu salvata da eventi metereologici che non permisero una buona visuale ai piloti. L’esplosione dei due ordigni provocò comunque anche serie conseguenze alla popolazione che non fu direttamente investita e furono molti quelli che morirono dopo.

Una centrale nucleare può esplodere come una bomba?

Ritornando ai nostri giorni, una riflessione importante deve essere fatta, pragmatica e scientifica per rassicurare tutti sull’energia nucleare, partendo con un messaggio chiaro: una centrale nucleare non può andare incontro ad una esplosione nucleare. Benché alcune esplosioni si siano verificate in impianti durante degli incidenti, queste sono sempre state di natura diversa da quella nucleare. Il materiale fissile concentrato nel nocciolo di un reattore non potrà mai andare incontro ad una massa critica tale da provocare un’esplosione. Nelle bombe l’obiettivo è sprigionare più energia possibile attraverso una reazione incontrollata.

Il concetto fondamentale da comprendere è quello di massa critica. Con questo termine si indica la quantità di materiale necessaria affinché una reazione nucleare a catena possa sostenersi in maniera autonoma. In una centrale nucleare, la massa critica è superata solo in modo marginale. L’obiettivo è creare una reazione nucleare in cui gli atomi di materiale fissile si dividono (fissione nucleare) in modo esponenziale, rilasciando enormi quantità di energia. Per far ciò, è quindi necessario raggiungere la massa critica di materiale fissile.

La chimica è l’alleato migliore

Se la massa del materiale supera la massa critica, una reazione nucleare a catena si autoalimenta rapidamente, generando un’esplosione nucleare devastante. Nei reattori nucleari commerciali, la reazione nucleare viene invece gestita attraverso il controllo della geometria, dei materiali e del flusso di neutroni. La massa critica può essere raggiunta per generare il calore necessario a produrre energia elettrica, ma la configurazione e i controlli di sicurezza sono progettati per evitare la rapida e incontrollata propagazione delle reazioni nucleari che si verifica invece in una bomba nucleare.

Inoltre, è importante specificare che nel caso di una “bomba di uranio” (come Little Boy) la quantità di materiale fissile, ovvero U-235, deve essere ad una concentrazione minima dell’80% ed un reattore nucleare non arriva a valori oltre il 3-5%, a seconda della tipologia. Per avere quindi una bomba è necessaria una massa molto concentrata di U-235.Si aggiunge anche il fatto che all’interno di una bomba non è presente acqua e i neutroni sono veloci, non termici. Infatti devo avere grandi quantità di U-235 affinché si possa raggiungere una massa critica minima in grado di raggiungere una reazione a catena incontrollata.

Discorso differente può essere fatto per il Plutonio (Pu) all’interno di un reattore. Soprattutto durante la fine della vita del combustibile le quantità di plutonio sono considerevoli, ma neanche in questo caso è mai possibile l’esplosione incontrollata. È così sia per le motivazioni già esplicitate e sia perché il Pu necessario per gli ordigni è il Pu-239. Nei reattori a seguito delle reazioni nucleari si genera non solo Pu-239 ma anche Pu-241, fissile, ma anche Pu-240 e Pu-242 che sono fertili.

Conclusione

Il Pu-240 è un contaminante indesiderato per una bomba che rende l’ordigno instabile: anche in presenza di burn-up elevati, cioè di alte quantità di combustibile nucleare consumato durante il funzionamento del reattore, la frazione di materiale fissile convertita in Pu-239 si attesta su valori del 50%, la percentuale desiderata per un ordigno è >93%. Al netto di queste valutazioni sugli isotopi, sulla massa critica, sul ruolo dell’acqua come moderatore, è importante ricordare che gli ordigni nucleari sono macchine complesse che devono seguire geometrie precise: piccoli difetti strutturali non permettono di raggiungere le condizioni di detonazione. Risulta per tutti questi motivi impossibile che geometrie dedicate per la produzione di energia possano produrre divergenze di potenza esponenziali tali da provocare un’esplosione nucleare. 

“Chi non conosce la storia è condannato a ripeterla”. Questa frase del politico inglese Edmund Burke è incisa in 30 lingue diverse in un monumento nel campo di concentramento di Dachau. È fondamentale conoscere il nostro passato: analizzarlo in maniera critica e razionale, senza lasciarsi prendere da isterismi o fanatismi, è una prerogativa inderogabile per definire il mondo di oggi e soprattutto quello di domani.

Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti:

• Atomic Heritage Foundation
• East Coast Daily
• Rare Historical photos
• Radioactivity.Eu.Com
• Radioactivity.Eu.Com
• Missioni Consolata
• Massimo Zucchetti: Pagine di Storia Critica dell’energia nucleare (2011)
• Kai Bird and Martin J. Sherwin: American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer (2006)