Le prime pile atomiche

Subito dopo la scoperta della fissione nucleare fu annunciata nel 1939, articoli di giornale che riportavano la scoperta menzionavano la possibilità che una reazione a catena di fissione potesse essere sfruttata come fonte di energia. La seconda guerra mondiale, tuttavia, iniziò in Europa nel settembre di quell’anno, e i fisici nella ricerca sulla fissione rivolsero i loro pensieri all’uso della reazione a catena in una bomba atomica. Negli Stati Uniti, Pres. Franklin D. Roosevelt fu persuaso da una lettera di Albert Einstein ad avviare un progetto segreto dedicato a questo scopo. Il progetto Manhattan comprendeva lavori sull’arricchimento dell’uranio per procurarsi l’uranio-235 in alte concentrazioni e anche ricerche sullo sviluppo di reattori. L’obiettivo era duplice: saperne di più sulla reazione a catena per la progettazione di bombe e sviluppare un metodo per produrre un nuovo elemento, il plutonio, che doveva essere fissile e potrebbe essere isolato chimicamente dall’uranio.

Lo sviluppo del reattore fu posto sotto la supervisione del principale fisico nucleare sperimentale dell’epoca, Enrico Fermi. Il progetto di Fermi iniziò alla Columbia University e fu dimostrato per la prima volta all’Università di Chicago, incentrato sulla progettazione di un reattore a grafite moderata. Il 2 dicembre 1942 Fermi riferì di aver prodotto la prima reazione a catena autosufficiente. Il suo reattore, in seguito chiamato Chicago Pile No. 1 (CP-1), era fatto di grafite pura in cui le lumache metalliche di uranio venivano caricate verso il centro con grumi di ossido di uranio attorno ai bordi. Questo dispositivo non aveva un sistema di raffreddamento, in quanto doveva essere utilizzato per scopi puramente sperimentali a bassissima potenza (circa 10 kilowatt di energia termica). CP-1 è stato successivamente smantellato e ricostruito in un nuovo sito di laboratorio nella periferia di Chicago, la sede originale di quello che oggi è Argonne National Laboratory. Il dispositivo ha visto continuare il servizio come reattore di ricerca fino a quando non è stato definitivamente dismesso nel 1953. (Vedi la tabella che elenca i primi reattori nucleari notevoli.)

Sulla scia del successo CP-1 esperimento, i piani sono stati rapidamente elaborato per la costruzione dei primi reattori di produzione (per la produzione di plutonio per essere utilizzato nella bomba atomica). Questi erano i primi reattori di Hanford, Washington, che erano dispositivi raffreddati ad acqua, alimentati a grafite, alimentati a uranio naturale. Come progetto di backup, un reattore di produzione di design raffreddato ad aria è stato costruito a Oak Ridge, Tennessee. Quando le strutture Hanford dimostrato successo, questo reattore è stato completato per servire come reattore X-10 a quello che oggi è Oak Ridge National Laboratory. Il primo reattore di ricerca a combustibile arricchito fu completato a Los Alamos, nel Nuovo Messico, nel 1944 quando l’uranio arricchito-235 divenne disponibile per scopi di ricerca. Tutti questi sforzi culminarono in Trinity, il primo test di un ordigno esplosivo atomico, che ebbe luogo il 16 luglio 1945 ad Alamogordo, nel Nuovo Messico.

Anche prima della guerra, era stato riconosciuto che l’acqua pesante era un eccellente moderatore di neutroni e poteva essere facilmente impiegato nella progettazione di un reattore. Durante il progetto Manhattan, questa possibile caratteristica progettuale è stata assegnata a un team di ricerca canadese, poiché in Canada esistevano già impianti di produzione di acqua pesante. Alla fine del 1945, poco dopo la fine della guerra, il progetto canadese riuscì a costruire un reattore di ricerca ad uranio naturale moderato da acqua pesante, il cosiddetto ZEEP (pila sperimentale a energia zero), a Chalk River, Ontario.

a Causa della mancanza di informazioni sull’uranio-235 tecniche di separazione, il primo Britannico sforzi, che ha avuto luogo dopo la guerra, incentrate sull’uso di uranio naturale come combustibile. Nel 1947 fu costruito il GLEEP (Graphite Low Energy Experimental Pile), un reattore raffreddato ad aria con un moderatore di grafite e combustibile di uranio metallico rivestito in alluminio, che divenne critico ad Harwell, nel Berkshire, in Inghilterra, generando 100 kilowatt di energia termica. L’anno seguente, un reattore francese di potenza simile, noto come EL-1 (per “acqua pesante 1”) o Zoé (per “potenza zero, ossido di uranio, acqua pesante”), è stato costruito a Châtillon, vicino a Parigi. Anche il reattore francese ha utilizzato uranio non arricchito nel suo combustibile.

Nel 1943 l’Unione Sovietica iniziò un programma di ricerca formale per creare una reazione di fissione controllata, esplorare la separazione isotopica e studiare i progetti di bombe atomiche. Dopo la guerra, il programma ha iniziato a fare progressi significativi verso la progettazione di un’arma a fissione; in tandem, i reattori sono stati progettati allo scopo di produrre plutonio per armi. La prima reazione a catena sovietica ebbe luogo a Mosca alla fine del 1946, utilizzando un mucchio sperimentale di uranio naturale moderato dalla grafite noto come F-1. Il primo reattore di produzione di plutonio divenne operativo nel complesso Chelyabinsk-40 negli Urali della Russia nel 1948.