Notizie in Controluce

I cinque sentieri del nucleare

Come produrre il materiali fissile? Nel maggio del 1942, il problema centrale era quello di scoprire metodi che permettessero la produzione di quantitativi di materiale fissile sufficienti a realizzare la bomba. Le ricerche su cinque differenti metodi vennero considerate sufficientemente avanzate per giustificare un tentativo di produzione su vasta scala: tre di queste procedure (elettromagnetica, centrifugazione, diffusione gassosa) riguardavano la separazione dell’ U-235, uno degli isotopi fissili. Le altre due erano legate alla produzione di Pu-239 (denominato plutonio), anche esso un isotopo fissile, ottenuto utilizzando l’uranio in un reattore a grafite o ad acqua pesante.

Nessuna garanzia di successo. Nessuno dei cinque metodi concorrenziali offriva la certezza di un successo. Erano tutti molto complicati, di costo proibitivo per l’economia di una nazione impegnata in una guerra su due fronti. Tuttavia, se si doveva fabbricare una bomba prima che lo facesse Hitler in Germania, e se si doveva usare quell’arma in guerra, era necessario scegliere e perfezionare, con uno sforzo collettivo di tutta la nazione, almeno uno dei cinque metodi. Ma quale dei cinque? Questo era il problema. I componenti della Commissione per la Difesa Nazionale, si riunirono nell’ufficio di James B. Conant, presidente della commissione, per prendere la decisione più importante, quella del metodo da adottare per la produzione del materiale fissile. Oltre a Conant, gli altri componenti erano i professori Ernest Lawrence, Arthur Compton e Harold Urey, tutti e tre insigniti del premio Nobel, il dottor Lyman Briggs, direttore dell’ufficio di pesi e misure, e Eger Murphree, un importante manager della Standard Oil Company.

I capofila dei cinque sentieri. Lawrence guidava il gruppo impegnato nel procedimento elettromagnetico; Compton era a capo del programma Plutonio, che comprendeva gli esperimenti critici della pila a uranio e grafite e di quella a uranio e acqua pesante. Urey dirigeva il programma di separazione dell’uranio mediante diffusione gassosa, Murphree guidava i ricercatori del sistema di centrifugazione. Ne nacque una discussione che durò tutto il giorno, nel corso della quale i direttori dei cinque programmi di ricerca difesero a spada tratta i rispettivi sistemi di produzione. Era ovvio che le possibilità di successo – o, meglio, le probabilità di insuccesso – apparivano identiche per ciascuno dei cinque procedimenti. Nove giorni prima Conant aveva espresso la sua opinione in una lettera a Vannevar Bush.

Mezzo miliardo di dollari. “Tutti e cinque i metodi affronteranno entro i prossimi sei mesi una fase molto costosa di un impianto pilota. Per di più, se si vuole risparmiare tempo, gli impianti di produzione dovranno essere progettati e in corso di costruzione prima che si sia terminato l’impianto pilota. Imbarcarsi in un programma napoleonico di questo tipo richiederà l’impegno di circa mezzo miliardo di dollari e di un enorme complesso di macchinari. Compiere uno sforzo inferiore può significare il rallentamento o la sospensione di uno dei procedimenti. Mentre tutti e cinque sembrano egualmente promettenti, è chiaro che il ritmo di produzione sarà raggiunto in tempi differenti, che potranno variare da 6 a 12 mesi. Di conseguenza, scartare oggi uno o due o tre procedimenti potrebbe involontariamente condurci a puntare sul cavallo più lento”. (R.J. Hewlett, D.E. Anderson, The New World, University Park, 1962)

La separazione del materiale fissile. Nel momento in cui il generale Groves fu nominato manager militare del Progetto Manhattan, era già stato individuato l’ampio panorama delle opzioni scientifiche per separare il materiale fissile necessario per alimentare la bomba. Le indagini specifiche avevano individuato due tipi differenti di combustibile: U-235 e Pu-239. Nel rapporto MAUD, gli scienziati britannici avevano suggerito un metodo per produrre l’U-235 su scala industriale, ma nulla di pratico era stato intrapreso. Era quindi compito e impegno di Groves valutare le potenzialità dei metodi e investire finanziariamente nei settori più promettenti. Le vie possibili per separare il fissile U-235 dal non-fissile U-238 erano indagate in tre centri, dei quali due universitari e uno industriale: Columbia University-New York e Università di California-Berkeley, Westinghouse Research Laboratory-Pittsburgh, rispettivamente. Alla Columbia University, Harold Urey, la cui scoperta dell’acqua pesante (ossido di deuterio, con il deuterio isotopo pesante dell’idrogeno) era stata gratificata dal premio Nobel, era responsabile di un procedimento tecnico denominato diffusione gassosa. Esso richiedeva il passaggio di uranio gassoso, contenente sia U-235 sia U-238, attraverso una serie di barriere porose. Dato che l’isotopo più leggero U-235 passava attraverso i pori più facilmente del più pesante isotopo U-238, il risultato finale consisteva in un gas arricchito in U-235. Alla Università di California-Berkeley, Ernest Lawrence – l’inventore del ciclotrone, un apparato sperimentale per realizzare urti assai energetici tra atomi, e anche egli insignito del premio Nobel – era a capo di un gruppo che lavorava su un processo elettromagnetico per separare l’U-235 dal resto dell’uranio non-fissile. Questa tecnica consisteva nel far passare l’uranio attraverso un magnete di ingenti dimensioni. Gli isotopi del più leggero U-235 venivano deflessi in maniera differente da quanto fosse deflesso il più pesante isotopo U-238. Presso il Westinghouse Research Laboratory di Pittsburgh, Eger Murphree, un ingegnere della Standard Oil of New Jersey, operava come supervisore di un progetto di separazione del l’U-235 dall’U-238 attraverso il passaggio attraverso un dispositivo di centrifugazione. Tramite questa procedura, il più leggero U-235 veniva separato dal più pesante U-238, facendo girare l’uranio gassoso in un’ampia e veloce macchina centrifuga che scartava verso l’esterno l’isotopo più pesante – in analogia a come la panna viene separata dal latte. Infine, nel Laboratorio di Stagg Field, presso la Università di Chicago, Arthur Compton, anche egli vincitore di un premio Nobel, era responsabile di progetto, costruzione e operazione della prima pila atomica, denominata reattore nucleare, nella quale aveva luogo una reazione a catena di fissioni nucleari indotte da neutroni lenti, che si auto-sosteneva. Questo dispositivo rappresentava l’anello di partenza per la produzione di Pu-239 in reattori analoghi, quando questi avessero operato in opportune condizioni di potenza.

Quale dei quattro metodi avrebbe condotto alla bomba? A quel punto della storia dello sviluppo dell’energia atomica, sembrava impossibile stilare una gerarchia probabilistica di successo, per ciascuno dei quattro metodi nei confronti degli altri, in termini di produzione di materiale fissile. Prima che il generale Groves facesse il suo ingresso in scena, tutti e quattro i progetti avevano ricevuto il go-ahead (“licenza di procedere”) da parte dell’Uranium Committee, ufficializzato dal presidente Roosevelt. Nell’intraprendere questa decisione, era stata messa in atto la filosofia fondamentale che ha illuminato il Progetto Manhattan nella sua interezza: duplicare, triplicare, quadruplicare gli sforzi produttivi, senza alcun restrizione o vincolo da parte dei costi economici.La consapevolezza da parte di Groves del valore scientifico di un sentiero rispetto agli altri era limitata ai brevi colloqui sull’energia atomica che aveva alquanto confusamente messo insieme prima del suo giro di ricognizione attraverso i centri di studi e ricerche coinvolti nel Progetto e ai rispettivi attori operanti nelle varie sedi. Il suo assessment dei diversi sentieri sarebbe stato fortemente influenzato sulla sua stima del calibro degli scienziati responsabili, della loro abilità nell’arrivare al compimento dell’incarico affidato.

Sensazioni e impressioni del generale Groves. Groves non ebbe una buona impressione della prima visita, quella al Westinghouse Research Laboratory presso Pittsburgh. Il leader, Eger Murphree, era assente perché malato e Groves notò subito che, senza il capo a dirigere in prima persona, il progetto mancava di indirizzi chiari e perseguibili. Groves rimase terrorizzato dalla notizia che il laboratorio chiudeva durante i week-end e le festività istituzionali. I ricercatori di questo progetto non avevano compreso il senso di urgenza nazionale che avrebbe dovuto caratterizzare le loro iniziative? Non erano forse a conoscenza che gli USA si trovavano coinvolti in una guerra, una grande guerra mondiale? Groves non si riprese mai dalla pessima prima impressione, nella sua mente il progetto della centrifuga era destinato a fallire. Nella primavera del 1943, il sentiero centrifugo era già uscito di scena. Dovettero trascorrere 20 anni prima che il metodo centrifugo ritornasse in auge, provando, ironicamente, di essere la tecnica a più alta efficienza per la produzione di U-235, quello che consumava meno elettricità degli altri. Il procedimento della diffusione gassosa, che in tempo di guerra emerse come il più dotato di successo, era infatti un divoratore eccessivo e vorace di elettricità. Negli anni 1950, gli impianti di diffusione USA fagocitavano il 10% della elettricità degli interi USA. Nei tre decenni post-bellici, impianti simili furono costruiti in Russia, Francia, Inghilterra e Cina, consumando milioni di barili di energia olio-equivante. (Peter Pringle & James Spigelman, The Nuclear Barons, The inside story of how they created our nuclear nightmare, Michel Joseph, 1982)