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Fisica dei reattori e meccanica quantistica

Breve storia dei reattori nucleari. Tra tutte le moderne innovazioni tecnologiche, quella relativa ai reattori nucleari è più unico che rara nella sua espansione a forma di molla, dalla compressione al completo sviluppo, in tempi sorprendentemente brevi. Soltanto quattro anni separano la data di scoperta della fissione nucleare (1938) dalla data della prima reazione a catena (1942). Il primo reattore di media potenza (Oak Ridge Graphite Reactor) è andato critico nell’ultima parte del 1943. Il primo vero reattore di potenza e produzione ha avuto il suo start-up a Hanford nel 1944. L’elettricità è stata per la prima volta prodotta a partire dalla fissione nucleare nel Experimental Breeder Reactor I ad Idaho nel 1951. (A.M. Weinberg & E. P. Wigner, The Physical Theory of Neutron Chain Reactors, University of Chicago Press, 1958)

Il primo incontro. Ho incontrato per la prima volta Eugene Wigner nel suo ufficio provvisorio presso il Laboratorio Metallurgico (in sigla, Met-Lab) sul campus della Università di Chicago. Era l’inverno 1941-42. Wigner, che era stato nominato da Arthur H. Compton leader del gruppo teorico del Met-Lab, viveva ancora da pendolare tra la sua casa a Princeton e il nuovo incarico a Chicago. Durante queste visite, Eugene incontrava singolarmente i membri del volatile ma inesperto gruppo dei fisici teorici, esaminava il lavoro svolto, suggeriva migliorie, proponeva critiche costruttive. Per un giovane teorico come me, di fatto uno che aveva abbandonato la fisica pura per la biofisica, questo primo incontro con Wigner era alquanto intimidatorio: mi era ben nota la reputazione di Wigner, uno dei maggiori fisici teorici mondiali viventi. Quando Carl Eckart, professore di fisica alla Università di Chicago, sotto la cui tutela aveva iniziato a lavorare sul progetto Uranio, aveva notificato che Wigner avrebbe rilevato la direzione delle attività, dato che Eckart si sarebbe occupato della guerra sottomarina, stentavo a farmi una idea dello straordinario uomo che stavo per avere il privilegio di conoscere. Il primo incontro, nel quale discutemmo di alcuni esperimenti del professor Samuel Allison sulla reazione (n,2n) nel berillio, mi convinse che Wigner era un fisico teorico di primo ordine, il cui controllo della fisica matematica era totale e che avrebbe interpretato un ruolo centrale nello sviluppo della energia nucleare. La rivista Fortune lo ha descritto una volta come il genio tranquillo che con una sola mano aveva inventato la maggior parte di tutta la fisica teorica moderna. Sempre durante quel primo incontro, realizzai che Wigner era anche in grado di gettare le fondamenta di quasi tutta l’ingegneria nucleare. Dobbiamo infatti e Eugene la creazione della vera e propria fisica e calcolo dei reattori a catene neutroniche. (Alvin M. Weinberg, Eugene Wigner & Nuclear Energy. A Reminiscence, Advances in Nuclear Science and Technology, volume 19, edited by Jeffery Lewins & Marin Becker, Plenum Press, 1987)

Biografia esistenziale e scientifica. Nato a Budapest (Ungheria) il 17 novembre 1902, educato alla Muegyetem di Budapest e alla Technische Hochschule di Berlino, Eugene Wigner ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1963. Altre onorificenze a lui dovute sono state la Franklin Medal (1950), il Fermi Award (1958), la Max Planck Medal (1961), lo Albert Einstein Award (1972), il Wigner Award (1978). Margaret, sorella di Eugene, ha sposato Paul Adrian Maurice Dirac, uno dei padri fondatori, insieme a Werner Heisenberg ed Erwin Schroedinger, della meccanica quantistica. Quando è stata scoperta la fissione nucleare, Wigner rappresentava il candidato ideale della mente preparata all’evento. A tutti gli effetti, in quel periodo, Wigner aveva apportato alcuni dei contributi centrali agli aspetti teorici della fisica nucleare. Per esempio era stato il primo a sviluppare calcoli di meccanica quantistica dello scattering dei neutroni da parte dei protoni: anche se questi risultati non sono mai stati pubblicati per motivi di stretta sicurezza. Sotto questa ottica, Eugene Wigner deve essere considerato il caposcuola, la figura dominante, se non addirittura il fondatore, della fisica teorica delle reazioni nucleari. I suoi contributi sono culminati nella visualizzazione (indipendente da quella di Niels Bohr, cui va abitualmente il merito di questa scoperta) del nucleo composto e delle forze nucleari. Wigner era giunto quasi naturalmente a questa concezione delle reazioni nucleari, essendo stato studente di ingegneria chimica sotto la guida di Michael Polanyi, divenuto famoso per la sua descrizione delle transizioni di stato nella cinetica chimica. Wigner e Polanyi avevano mutuato e sfruttato questo concetto e il conseguente modello matematico nel loro famoso articolo sulla interpretazione quantistica della più semplice delle reazioni chimiche, la formazione dell’atomo di idrogeno. Per Wigner, il nucleo composto era semplicemente l’analogo nucleare del modello delle transizioni di stato nelle reazioni chimiche. La formula della risonanza, giustamente attribuita a Gregory Breit & Eugene Wigner, era stata concepita durante il breve soggiorno di Eugene presso l’Università del Wisconsin. (Alvin M. Weinberg, Eugene Wigner & Nuclear Energy. A Reminiscence, Advances in Nuclear Science and Technology, volume 19, edited by Jeffery Lewins & Marin Becker, Plenum Press, 1987)

Eugene Wigner e i suoi compatrioti ungheresi. Wigner e Leo Szilard erano amici intimi, avendo studiato e poi insegnato alla Università di Berlino, insieme con il loro connazionale John von Neumann. In questa sede accademica, Wigner aveva sviluppato la idea originale di applicare la teoria dei gruppi alla meccanica quantistica e Szilard aveva adattato i principi della teoria dell’informazione all’apparato matematico della termodinamica. Wigner aveva così progressivamente acquisito familiarità con l’idea di Szilard di reazioni nucleari a catena. Idea culminata nel brevetto segreto assegnato a Szilard dallo Ammiragliato Britannico nel 1934. Ai tempi del brevetto, la fissione era totalmente sconosciuta e forse impensabile: tuttavia, si pensava erroneamente che il berillio colpito da un neutrone si trasformasse in elio più due neutroni in una reazione di natura esotermica. Anche allora però, l’idea di Szilard rappresentava qualcosa di più e di meglio di una pura e semplice speculazione filosofica. Quando fu scoperta la fissione, Szilard e il suo giovane amico Wigner ne afferrarono immediatamente la portata. In quei giorni primordiali della fisica della fissione nucleare, suppongo che Szilard fosse il più coinvolto dagli aspetti sperimentali dei processi in gioco: dopo tutto, Leo aveva sviluppato una teoria delle reazioni nucleari a catena che sottomise come brevetto all’Ufficio americano preposto alle invenzioni e alle scoperte, in data 20 marzo 1939, sotto il titolo di Apparato per la trasmutazione nucleare, vale a dire un reattore a catene neutroniche basato sulla fissione dell’uranio. Inutile precisare che a Wigner interessavano prevalentemente gli aspetti teorici del modello suggerito da Szilard e che si gettò subito in stime indipendenti ed autonome per verificare le eventuali condizioni di criticità del reattore concepito da Szilard. Eugene P. Wigner è morto il 1° gennaio 1995, alla età di 93 anni. (Alvin M. Weinberg, Eugene Wigner & Nuclear Energy. A Reminiscence, Advances in Nuclear Science and Technology, volume 19, edited by Jeffery Lewins & Marin Becker, Plenum Press, 1987)

Una fisica nucleare in fermento. La famosa lettera di Einstein al presidente Roosevelt dell’agosto 1939 era stata tradotta in inglese da Wigner sotto dettature in tedesco da parte del grande Albert: faceva seguito a una accesa discussione di Wigner e Szilard con Einstein. Tuttavia, all’epoca, molti altri scienziati, tra i quali Ernest O,. Lawrence della Università di California a Berkeley e Harold D. Urey della Columbia University a New York, erano interessati alle prospettive di sviluppo. Tuttavia, negli USA, l’impulso politico delle iniziative era prodotto principalmente dai cosiddetti scienziati rifugiati: Szilard, Wigner ed Edward Teller e, in misura minore, da Fermi. Durante questo periodo, Wigner stava elaborando la sua versione delle reazioni a catena. Szilard aveva definito la sua scelta della grafite come moderatore dei neutroni e, insieme con Fermi, aveva sposato l’idea di una struttura a reticolo eterogeneo tra uranio e grafite in luogo di qualunque altra soluzione di natura omogenea. Nella medesima stagione, Louis Turner aveva avanzato la ipotesi che il Pu-239 fosse fissionabile, proprio mentre Bohr e Wheeler mettevano a punto il famoso articolo sul modello matematico della fissione. Quando il modello a goccia venne valicato da Seaborg alla Università di California a Berkeley, acquistò grande significato militare la possibilità di usare uranio naturale come combustibile in una reazione a catena basata su neutroni lenti. (Alvin M. Weinberg, Eugene Wigner & Nuclear Energy. A Reminiscence, Advances in Nuclear Science and Technology, volume 19, edited by Jeffery Lewins & Marin Becker, Plenum Press, 1987)

Il senno di prima, il senno di poi. Se la Du Pont avesse costruito i reattori di Hanford secondo le specifiche originali di Wigner, elegantemente economiche, tutti e tre gli impianti avrebbero richiesto drastiche modifiche di progetto e costruttive. Fortunatamente Wheeler aveva parlato con la voce di Cassandra a proposito di avvelenamento da prodotti di fissione: in tal modo i 1500 canali proposti da Wigner nella zona centrale del reticolo lasciano spazio per altri 504 canali nei 4 angoli periferici del reattore, per un totale di 2004 canali. Operare i fori costò notevoli ritardi nella costruzione e incrementò di vari milioni di dollari le spese a carico della Du Pont. Però salvarono l’intera impresa da una debacle probabilmente disastrosa.