Reattori a fissione nucleare

Quale è il principio fisico alla base di una centrale nucleare a fissione? In questo articolo si prova a mettere insieme un po' di fatti sui principi, ma anche sui problemi di sicurezza, utilizzando due saggi di Augusto Gandini e Maurizio Cumo contenuti all'interno di Conoscere Fermi, volume realizzato dalla Società Italiana di Fisica in occasione del centenario della nascita del nostro illustre Premio Nobel.
Si affronterà anche il discorso della sicurezza alla luce del fatto che i reattori a fissione usuali, per poter essere competitivi sul mercato energetico, devono lavorare vicinissimi al limite critico della reazione a catena incontrollabile. Gli unici sviluppi in questo campo, infatti, sono spesso stati più nella realizzazione di nuovi sistemi di sicurezza che non nella costruzione di sistemi altrettanto efficienti, ma più lontani dal limite critico e con una minore produzione di scorie radioattive.

La storia dell'energia nucleare inizia, volendo essere patriottici, nei laboratori di via Panisperna, nel gruppo di ricerca guidato da Enrico Fermi. Quegli studi lo portarono, una volta negli Stati Uniti, a collaborare con un altro grande pioniere della fisica nucleare, Robert Oppenheimer, direttore del famigerato Progetto Manhattan, quello stesso progetto che produsse le bombe che vennero gettate su Hiroshima e Nagasaki, e che venne poi modificato per usi civili nelle centrali nucleari.
Oppenheimer probabilmente si rendeva conto di quello che aveva sviluppato. Famose, infatti, le sue due affermazioni:

In un certo senso basilare che nessuna volgarità, umorismo o esagerazione possono dissolvere, i fisici hanno conosciuto il peccato; e questa è una conoscenza che non si può perdere.
(da una conferenza del 1947 presso il MIT)

riguardanti le bombe giapponesi sopra ricordate, o quella ancora più terribile

Sono diventato Morte, il distruttore di mondi

che il fisico ha ripreso dal Bhagavadgita⁽¹⁾ in occasione dell'esperimento del 1945 ad Alamgordo in New Mexico.
Il principio dietro la reazione (su cui si basano sia la bomba sia il reattore) è semplice: viene lanciato un fascio di neutroni contro dei nuclei pesanti (isotopi dell'uranio) e dalla cattura e successivo rilascio si ottiene un neutrone, un nucleo più leggero di quello di partenza ed energia.
Un'ottima e forse ancora più dettagliata descrizione di quanto appena detto viene da questo schema tratto da commons:

L'atombrello

Non crediate di chissà cosa dovrei parlarvi quest'oggi. Non già di un ombrello particolare, ideato da un gruppo di ricerca e costituito da atomi con la capacità particolare di respingere la luce o l'acqua alla bisogna, anche perché gli ombrelli usuali, costituiti proprio da atomi, sono utili proprio per entrambe le situazioni. L'atombrello di cui sto per scrivere è una mirabolante invenzione ideata sulle daily strip di Mickey Mouse che vanno dal 30 aprile al 3 luglio del 1948 e note in Italia con il titolo Topolino e l'invenzione di Eta Beta o, come è stato ora tradotto sul 10.mo volume di Topolino Gli anni d'oro, Topolino, Eta Beta e l'atombrello.

In effetti questa è il prologo alla lunga sfida con la Spia Poeta che Topolino ed Eta Beta dovranno affrontare nella serie di daily strip successive. La nota Spia, infatti, cercherà di prendere possesso della mirabolante invenzione dell'uomo del domani, un ombrello in grado di proteggere dall'energia atomica!
La seconda guerra mondiale, conclusasi 3 anni fa, aveva visto la vittoria definitiva degli Alleati e quindi degli Stati Uniti solo dopo la nuclearizzazione delle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki: in quell'occasione il mondo intero si era reso conto della potenza di questa forma di energia, che aveva iniziato a fare capolino all'inizio del conflitto, come si ricorderà bene chi ha letto L'uomo nuvola. Esempio dell'attenzione che la società civile riservava agli usi militari di questa invenzione è questo Fear and the Bomb di Joseph Hansen uscito nel giugno del 1949 su Fourth International. Siamo agli inizi della Guerra Fredda, quel periodo storico durante il quale i due grandi schieramenti statunitense e sovietico si fronteggiavano in maniera nascosta e sottile grazie alla minaccia delle armi nucleari a lunga gittata puntate una contro l'altra. Per comprendere l'atmosfera del tempo, può essere utile, ad esempio, dare un'occhiata a questa raccolta di clip radiofoniche e televisive degli anni Cinquanta e Sessanta dagli archivi della CBC⁽¹⁾.
Questa atmosfera di incertezza non poteva non entrare nelle strisce dell'epoca e Mickey Mouse non poteva essere da meno: Bill Walsh, che affiancava a quel tempo Floyd Gottfredson come sceneggiatore delle strisce, dopo l'introduzione di Eta Beta nella sequenza iniziata il 22 settembre dell'anno prima, inizia a sfruttare il personaggio per introdurre temi scientifici nelle strisce.

L'uomo nuvola

Le immagini dell'articolo sono state aggiornate utilizzando quelle dell'edizione italiana in oggetto. Le immagini originali erano state estratte da una versione scannerizzata a colori dell'originale. Ovviamente le immagini sono © Disney.

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Come ogni scienziato che si rispetti, vive sulle nuvole per sfuggire alla vita reale: è il dottor Enigm, in originale Einmug, personaggio creato da Floyd Gottfredson, il geniale Uomo dei Topi, il vero secondo padre di Topolino.
L'esordio del personaggio è su Il mistero dell'uomo nuvola, nota negli Stati Uniti come Island in the Sky, e serializzata sui quotidiani dal 30 novembre 1936 al 3 aprile 1937 per un totale di 108 strisce di 4 vignette l'una. Ad affiancare Gottfredson ci sono Ted Osborne per sceneggiare il soggetto del cartoonist dell'Utah, e Ted Thwaites alle chine.
Dice Gottfredson:

(...) la storia che mi sono divertito di più a realizzare. Non posso dire che sia la migliore in assoluto, anche se è quella che mi ha procurato i maggiori consensi. Ray Bradbury mi ha detto di averla letta nel 1937, e si è meravigliato per la conoscenza che già a quel tempo mostravamo dell'energia atomica. In realtà non ne sapevamo nulla, ci eravamo inventati tutto quanto.

In effetti quella de Il mistero dell'uomo nuvola è anche una storia sulla fisica e sull'uso della scienza in un periodo, quello direttamente precedente alla Seconda Guerra Mondiale, dove la ricerca nucleare ebbe un forte impulso. Non dimentichiamo, infatti, che giusto l'anno dopo (1938) la fine della serializzazione della storia (1937), Enrico Fermi avrebbe vinto il Nobel per la Fisica proprio per la scoperta delle reazioni nucleari, quelle che poi avrebbero portato il fisico italiano a collaborare al Progetto Manhattan insieme con Robert Oppenheimer.

Torniamo alla storia: il primo incontro con la fantastica forza atomica di Enigm avviene quando Topolino e Pippo, in volo sul loro aereo, incontrano uno strano tipo con bombetta a bordo di una macchina volante. L'incontro viene poi ripetuto da Topolino insieme con il capitano Setter e ancora una volta si ripete nello stesso modo: Enigm che scappa a velocità pazzesca mentre l'aereo di Topolino resta immobile in cielo nonostante il motore acceso. Dopo questa esperienza Setter afferma:

Credo che sia riuscito a inventare un modo per allineare gli atomi... in modo da farli tirare tutti nella stessa direzione, contemporaneamente!

Queste affermazioni, insieme alle mirabilie che la forza atomica era in grado di compiere (un campo di forza in grado di fermare aerei, generare piattaforme e scale invisibili nel vuoto, disintegrare aerei) riecheggiano anche nell'articolo Radio Power will Revolutionize the World del 1937 firmato da Nikola Tesla e segnalato da Giancarlo Goria nei commenti a La misteriosa profezia del professor Enigm di Luca Boschi.

Ritratti: Geoffrey Taylor

Dopo aver acquistato la sua solita copia di Life, la sua attenzione venne colpita da una foto particolare, pubblicata su quella rivista. Dai dati in essa contenuta, Geoffrey Ingram Taylor riuscì a stimare la potenza dell'esplosione nucleare utilizzata in uno dei trinity test statunitensi in Nuovo Messico, un dato che il governo statunitense non aveva diffuso.
Taylor, fisico e matematico britannico, esperto in meccanica dei fluidi, nasce il 7 marzo del 1886 a Londra. In un certo senso la cultura era di famiglia: il padre era un artista, mentre la madre, Margaret Boole, era nipote di George Boole (da lui discende la logica booleana, le cui basi vengono insegnate sin dalle scuole superiori), mentre aveva per zia Alicia Stott, nota per i suoi lavori sui politopi in particolare in 4 dimensioni. All'età di 11 anni, poi, rimase molto colpito dalla lettura di The principles of the electric telegraph, una serie di dispense indirizzate ai bambini.
Ambiente stimolante, dunque, tanto che ebbe modo anche di conoscere William Thomson, meglio noto come Lord Kelvin. Il suo sbocco accademico fu il prestigioso Trinity College, dove studiò matematica e fisica. Risale a quel periodo la vittoria dello Smith's Prize grazie ad un lavoro sulle onde di shock che ne estendeva uno precedente di Thomson.
Nel 1910, sembre al Trinity di Cambridge, ottene un fellowship, iniziando l'anno dopo il suo lavoro di ricerca in meteorologia: le sue ricerche sulle turbolenze atmosferiche sforicarono nell'articolo Turbulent motion in fluids, che vinse l'Adams Prize nel 1915.