Il reattore nucleare progettato da Fermi si basava sulla fissione dell’uranio 235, ma anche su proprietà di assorbimento dei neutroni da parte dell’uranio 238 e del suo decadimento.
In una fissione di un nucleo di uranio 235 vengono prodotti circa 2,5 neutroni. Di questi uno può termalizzarsi e rendersi utile per una seconda fissione, che può ripetersi allo stesso modo, dando vita a una reazione a catena. Gli altri neutroni prodotti possono essere assorbiti dall’uranio 238 o perdersi nel reattore. Il reattore è critico quando il rapporto k tra i neutroni prodotti in una fissione e la somma di quelli assorbiti o perduti nella generazione precedente è pari a uno. In questo caso la catena si autosostiene. Prima del 2 dicembre, Fermi continuò per mesi a controllare la reattività del reattore mentre il numero di mattonelle impilate cresceva. Il 2 dicembre la pila era prossima alla condizione di criticità. Verso le due del pomeriggio Fermi diede inizio alla prova. Fece estrarre le barre di cadmio tranne una e iniziò a misurare il fattore di criticità k. Se k fosse stato inferiore a uno la reazione si sarebbe spenta (si generano meno neutroni termici di quelli necessari), se superiore a uno si sarebbe entrati in regime sovracritico con la liberazione di un’enorme quantità di energia, se il processo non fosse stato inibito. Fermi decise di togliere gradualmente l’ultima barra, mentre misurava la radioattività prodotta nella reazione. Alle ore 15:53 il fattore k raggiunse un valore pari a 1,0006 e la reazione si autososteneva. Il primo reattore nucleare era entrato in funzione e aveva dato prova di una reazione a catena compiuta.
Immagine dall’alto della pila di Fermi in costruzione (D.P.)
Va ricordato che la pila di Fermi in realtà funzionava controllando principalmente i neutroni emessi non dalle fissioni di uranio 235. I neutroni emessi dalle fissioni, infatti, detti neutroni prompt o immediati o veloci, costituiscono il 98% della quantità totale dei neutroni presenti nel reattore in condizioni prossime alla criticità, ma la legge di aumento o diminuzione è esponenziale, il che esponeva la pila a uno scarso controllo, col rischio di un’esplosione. Per questo motivo Fermi decise di tenere la pila in regime di sottocriticità per l’effetto dei neutroni prompt e di regolare il fattore k attraverso il flusso di neutroni ritardati emessi da altre reazioni nucleari, generate per effetto dei neutroni assorbiti dall’uranio 238 o persi nel reattore. Un neutrone generato da una fissione è infatti veloce. Prima di termalizzarsi può generare altri neutroni veloci per scissione all’interno del blocco di uranio (sono i neutroni con energia maggiore di 1 MeV e quindi superiori alla soglia di energia per scissione). Nel processo di termalizzazione questi attraversano la zona delle risonanze e possono essere assorbiti dall’uranio 238, dando vita a uranio 239 e quindi poi a plutonio (fissile) e nettunio, oppure dal moderatore. Molti nuclei che si venivano così a creare, infatti, emettevano neutroni con tempi più lunghi, anche dell’ordine del minuto, col vantaggio di essere più facilmente controllati dalle barre di cadmio. La pila di Fermi aveva avuto perciò un ulteriore merito. Aveva infatti dimostrato che era possibile una reazione a catena sfruttando l’uranio 238. L’uranio utilizzato nella pila era infatti di origine naturale: 4,5 tonnellate di uranio metallico e 45,5 tonnellate di ossido di uranio. Considerando che l’uranio contiene al 99,3% l’isotopo 238 e solo per lo 0,7% l’isotopo 235, appare evidente che il materiale utilizzato per sostenere la reazione era in gran parte uranio 238. Come anticipato sopra, l’uranio 238 irraggiato di neutroni veloci si trasforma nel nucleo composto di uranio 239, che a sua volta decade in plutonio 239. Anche questa trasformazione riconosciuta nella pila di Stugg Field costituisce un ulteriore merito del dispositivo progettato da Fermi. Per la prima volta si comprese come produrre plutonio.
Si consiglia la lettura del documento qui linkato, di Carlo Salvetti, pubblicato dalla Società Italiana di Fisica (SIF) per una completa disamina dei dettagli tecnici della pila di Fermi.