Le reazioni nucleari

Enrico Fermi e i suoi Ragazzi di via Panisperna sono stati i primi al mondo a realizzare una reazione nucleare in un laboratorio. Senza rendersene conto. Ma cos’è una reazione nucleare?

Può sembrare strano ma per arrivare a parlare di reazioni nucleari vorrei cominciare dalle reazioni chimiche. Dalla chimica, non dalla fisica. Le proprietà chimiche degli elementi esistenti in natura sono determinate in gran parte dal cosiddetto “numero atomico”, cioè dal numero di protoni che sono presenti nel nucleo dei loro atomi. Gli atomi il cui nucleo contiene un certo numero di protoni appartengono all’elemento con quel numero atomico, gli altri no. Gli atomi con un solo protone sono atomi di idrogeno, quelli con due protoni sono atomi di elio, quelli con tre sono atomi di litio, e così via.

La cosa che mi meraviglia di più nelle reazioni chimiche è che non è necessario modificare il numero atomico dei vari atomi che si combinano tra di loro per riuscire a dar vita a dei composti con proprietà fisiche e chimiche completamente diverse. La natura (e l’uomo!) riescono a dar vita ad una varietà infinita di sostanze di ogni genere senza cambiare in nulla i nuclei dei singoli atomi. È sufficiente cambiare un po’ i livelli energetici degli elettroni coinvolti, et voilà, si ottengono dei prodotti con proprietà completamente diverse da quelle dei reagenti.

Completamente diverse. Basti pensare alla “combustione” di un materiale infiammabile con l’ossigeno presente nell’aria. Sembra strano, ma neppure la combustione cambia la natura degli atomi che ‘bruciano’. Le proprietà fisiche e chimiche di un materiale che brucia cambiano completamente, ma non quelle degli atomi che lo costituivano e che costituiscono i prodotti della combustione. Le reazioni chimiche non modificano in nulla la struttura dei nuclei degli atomi reagenti. Strano, ma vero.

Le reazioni nucleari sono tutta un’altra storia. I prodotti delle reazioni nucleari sono atomi con un numero atomico diverso da quello dei reagenti. In una reazione nucleare, è proprio la natura degli elementi che cambia, non solo il loro modo di combinarsi insieme. Può succedere che da un atomo con tanti protoni se ne ricavino due, ognuno dei quali dotato di un numero inferiore di protoni rispetto all’atomo originale, quindi appartenenti ad elementi diversi. Oppure può succedere che due atomi mettano insieme i loro protoni per formarne uno solo, ovviamente con un numero atomico corrispondente alla somma dei due elementi reagenti. Ecco, nel primo caso si parla di “fissione nucleare”, nel secondo di “fusione nucleare”.

Ma qual è l’interesse delle reazioni nucleari? Insomma, a cosa servono? Sappiamo tutti che la fusione nucleare tra atomi di idrogeno è la reazione che consente al nostro Sole di produrre talmente tanta energia da riuscire a diffondersi in tutto il sistema solare, rendendo abitabile il nostro (amato?) pianeta Terra. Il Sole non brucia, nel senso che al suo interno non avviene un fenomeno di combustione. Per fortuna nostra, altrimenti si sarebbe già spento da un pezzo… Basti pensare che per produrre la stessa quantità di energia ottenuta dalla combustione di una tonnellata di petrolio è sufficiente far “fondere” insieme molto meno di un grammo di idrogeno! L’ordine di grandezza dell’energia che si può ricavare da una reazione nucleare è, dunque, immensamente superiore di quella ottenibile con una reazione chimica che coinvolge la stessa quantità di reagenti. Ecco perché le reazioni nucleari hanno acquistato così tanto interesse negli ultimi secoli. Perché sono in grado di liberare enormi quantità di energia.

Certo, scatenare e controllare una reazione nucleare non è così facile come dar fuoco a qualcosa.  Non a caso il fuoco è stato il primo metodo di produzione di energia scoperto dall’uomo. O meglio, per essere precisi, non si può dire che l’uomo abbia scoperto il fuoco, semplicemente ha fatto in modo che quel qualcosa di maledettamente pericoloso potesse diventare anche meravigliosamente utile. Per arrivare a produrre e gestire delle reazioni nucleari, però, è molto più difficile! Basti pensare alle condizioni proibitive di temperatura, pressione e densità in cui si realizza la fusione nucleare all’interno nel nucleo solare. Non a caso, difatti, tutti i sistemi nucleari messi a punto dall’uomo fino ad oggi, dalle centrali alle bombe, sono basati sulla fissione, non sulla fusione.

Apro una parentesi ‘storica’ sulla fissione nucleare. I primi a riuscire a dividere ‘l’indivisibile’ atomo sono stati dei giovanissimi ricercatori dell’Istituto di Fisica dell’Università di Roma: i mitici “ragazzi di via Panisperna”. Già all’inizio degli anni ’30, scienziati del calibro di Enrico Fermi, Emilio Segrè, Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana, avevano ottenuto dei risultati talmente fondamentali che avrebbero cambiato la storia della fisica. Bombardando l’uranio con i cosiddetti “neutroni lenti”, quel gruppo di scienziati tutti italiani erano stati i primi a realizzare in laboratorio la fissione nucleare. I primi a realizzarla ma non i primi a capirne i meccanismi di funzionamento.

Quando alla fine degli anni ’30 il chimico tedesco Otto Hahn e il suo collaboratore Fritz Strassmann annunciarono di aver realizzato la fissione nucleare dell’uranio, il gruppo di via Panisperna era stato già sciolto. Molti dei suoi membri erano stati costretti al doloroso espatrio verso paesi anglosassoni, a causa delle leggi razziali introdotte dal regime fascista. In realtà, la ‘scoperta’ dei due chimici tedeschi era basata in gran parte sul lavoro di una brillante ricercatrice austriaca, Lise Meitner. La Meitner era stata la prima donna a conseguire un dottorato in fisica all’Università di Vienna. E anche la prima donna cui era stato consentito di frequentare il laboratorio dell’Università di Berlino. Fino a quando fu costretta ad emigrare in Svezia, anche lei perseguitata per motivi razziali. Pensate che la Meitner, nel corso della sua carriera, fu proposta per il Premio Nobel ben 49 volte. Senza vincerlo mai. Il merito della realizzazione della fissione nucleare fu attribuito interamente a Otto Hahn, che, lui sì, fu insignito del Premio Nobel (per la Chimica!). Chiusa la parentesi ‘storica’.

Negli anni ’30, quindi, prima a Roma e poi a Berlino, si era dimostrato che è possibile scindere i nuclei di alcuni atomi. Quello che succede è che, quando un neutrone lento colpisce un atomo di uranio-235, il suo nucleo diventa instabile e si divide in frammenti più piccoli, perdendo una frazione infinitesimale di massa. O meglio, trasformando quella piccolissima parte della massa nucleare originale in energia (ricordate la formula di equivalenza tra massa ed energia di Einstein?). Pochissima massa, tantissima energia, è proprio quello che serve. Altro fatto importantissimo è che, nel rompersi, i nuclei di uranio liberano vari neutroni che possono a loro volta colpire altri nuclei di uranio, continuando il processo. È quella che si chiama “reazione a catena”, cioè una reazione che, una volta innescata, si auto-sostiene, continua da sola. Un po’ come succede nella combustione: una volta appiccato il fuoco si auto-alimenta, spegnendosi solo quando vengono meno i reagenti necessari, il combustibile oppure l’ossigeno.

Ma allora la reazione a catena fa sì che la fissione nucleare, una volta innescata, possa essere sfruttata per generare enormi quantità di energia? La risposta è notoriamente sì, altrimenti non staremmo qui a parlarne. Ma con tutta una serie di difficoltà (e di rischi…) che vale la pena sottolineare. La prima difficoltà sta nel fatto che i neutroni liberati dalla scissione di un atomo sono troppo veloci per riuscire a causare la rottura di altri atomi adiacenti, bisogna rallentarli. Ed ecco che rientra in gioco il padre dei neutroni lenti, Enrico Fermi.

Negli Stati Uniti, dove si era trasferito direttamente dopo aver ritirato il Premio Nobel a Stoccolma, Enrico Fermi fu accolto con tutti gli onori.  Fu nell’Istituto per la ricerca nucleare dell’università di Chicago, che oggi porta il suo nome, che Fermi riuscì a mettere a punto un sistema che consentiva alla fissione nucleare di auto-sostenersi. I neutroni veloci prodotti dalla rottura dei nuclei di uranio-235 venivano fatti passare attraverso un materiale “moderatore”, dei blocchi di grafite purissima, in grado di rallentare i neutroni a sufficienza da poter causare ulteriori fissioni.

Fermi intuì anche che, perché la reazione a catena riesca ad auto-sostenersi, è necessario che i neutroni liberati dalla scissione di un nucleo siano sufficienti a causarne almeno un’altra. È vero che ogni scissione di nucleo libera più di un neutrone ma non è affatto sicuro che almeno uno dei neutroni liberati vada ad urtare altri nuclei ‘instabili’, causandone la rottura. Questo succede solo se la presenza di materiale fissile (l’uranio-235) supera la cosiddetta “massa critica”, al di sotto della quale la reazione a catena non si realizza.

Ma una volta riusciti a scatenare la reazione a catena, come fare poi a tenerla sotto controllo, cioè ad aumentarne o a diminuirne l’intensità, fino al punto di riuscire a fermarla? L’intuizione di Fermi fu quella di aggiungere al materiale moderatore che rallenta i neutroni, la grafite, anche del materiale “assorbente”, cioè in grado di arrestare completamente i neutroni; e quindi di interrompere la reazione a catena. Ed ecco allora che la soluzione realizzata da Fermi consisteva in delle barre di materiale combustibile, l’uranio, inserite in blocchi di materiale moderatore, la grafite, all’interno del quale potevano scorrere delle “barre di controllo” formate da materiale assorbente, il cadmio. Sollevando e abbassando le barre di controllo era possibile controllare l’intensità della reazione a catena. Fermi aveva realizzato il primo reattore nucleare!

Dalla realizzazione di un sistema di produzione controllata di energia, il reattore, ad un sistema di produzione esplosiva di energia, la bomba, il passo sembra breve. Ma non lo è!  Una testata nucleare deve essere trasportabile. E soprattutto deve riuscire a liberare l’intera energia in una frazione di secondo, altrimenti non esploderebbe, semplicemente si scioglierebbe. L’esplosione si realizza solo con materiale fissile ad altissima concentrazione; una concentrazione talmente alta da generare una crescita esponenziale istantanea del numero di atomi che si rompono. Pensate che, mentre per realizzare un reattore nucleare ad uso civile è sufficiente “arricchire” l’uranio fino a raggiungere una percentuale di uranio-235 del 4%, per realizzare una testata esplosiva è necessario arricchirlo almeno al 90%! E non è affatto facile. Direi per fortuna, perché ogni chilo di uranio in una testata nucleare, esplodendo, libera una quantità di energia equivalente alla combustione di 3 mila tonnellate di carbone. In un milionesimo di secondo!

Le reazioni nucleari sono probabilmente l’esempio più eclatante di come il progresso scientifico e tecnologico rappresenti un’arma a doppio taglio. Può essere uno strumento di sviluppo, di crescita, di civiltà. Ma può anche trasformarsi in uno strumento di distruzione e di morte. In questo caso specifico, uno strumento talmente potente da poter causare lo sterminio dell’intera umanità! Immagino il travaglio interiore dei tanti scienziati che si sono trovati di fronte al dilemma di contribuire o meno allo sviluppo di tecnologie di interesse militare. A questo proposito è emblematico l’aneddoto raccontato da Christopher Nolan nel suo film “Oppenheimer”.

 Robert Oppenheimer, il padre della prima bomba atomica, era tormentato dai dubbi sulle possibili conseguenze di un’esplosione nucleare. Temeva che l’enorme quantità di energia liberata all’improvviso avrebbe potuto persino innescare la fusione dei nuclei di azoto presenti nell’aria, causando di conseguenza una reazione a catena tale da poter ‘incendiare’ l’intera atmosfera terrestre. Un timore infondato. Ma quando le prime (e, per fortuna, ultime) bombe atomiche furono utilizzate davvero, più che l’indignazione per l’uso di uno strumento talmente distruttivo da lasciare letteralmente solo “l’ombra” di ogni essere vivente nell’area dell’esplosione, nel mondo si scatenò una corsa inarrestabile agli armamenti nucleari. Proprio per la loro potenza terribilmente distruttiva. A quel punto Oppenheimer non ebbe più dubbi: la bomba che lui stesso aveva contribuito a realizzare aveva davvero scatenato una reazione a catena in grado di distruggere l’intero pianeta. E non per la fusione degli atomi di azoto presenti nell’atmosfera.

Mauro Pecchioli