(Il team della pila di Chicago. Da sinistra: Norman Hilberry, Samuel Allison, Thomas Brill, Robert Nobles, Warren Nyer, e Marvin Wilkening. Riga centrale: Harold Agnew, William Sturm, Harold Lichtenberger, Leona Marshall and Leo Szilard. Il primo in basso a sinistra è Fermi)
Nella primavera del 1942, fermi si trasferisce a Chicago, insieme a Szilard e agli altri fisici della Columbia University, presso il Metallurgical Laboratory dove inizia la costruzione di un reattore nucleare a uranio naturale e grafite di cui Fermi assume la direzione scientifica.
Nel frattempo è costretto a partecipare a riunioni, a stendere relazioni, dare consigli su questioni tecniche, oltre a dirigere, con tatto, gli ingegneri che si scontrano con problemi del tutto nuovi. Invece di fare lui stesso gli esperimenti deve affidare tutto a collaboratori fidati, riservandosi soltanto l'analisi dei dati.
Come racconta lui stesso , gli sembra di "fare fisica per telefono". Vengono ripetuti su scala molto maggiore una serie di esperimenti cosiddetti "esponenziali" il cui scopo è quello di realizzare misurazioni di alta precisione del flusso dei neutroni nei vari punti del reticolo di grafite - uranio. Perché sia possibile una reazione a catena divergente in un sistema di uranio naturale e grafite è necessario fare molta attenzione alle perdite indesiderate di neutroni, in particolare dalle zone di confine, per ridurre le quali è necessario usare una struttura sufficientemente grande. Per fare il test con una struttura più piccola, Fermi inventa l'esperimento esponenziale, nel quale viene misurata la diminuzione esponenziale della densità di neutroni in una colonna di uranio - grafite a base quadrata (Neutron Production in a Lattice of Uranium Oxide and Graphite (Exponential Experiment) [Produzione di neutroni in un reticolo di ossido di uranio e grafite (Esperimento Esponenziale)]). Il metodo della pila esponenziale viene successivamente utilizzato con successo nell'analisi delle partite di materiali ricevute.
Nel mese di giugno, il presidente Roosevelt decide di procedere con un programma su vasta scala finalizzato alla costruzione di bombe a fissione e affida all'esercito la direzione di quello che verrà chiamato Progetto Manhattan.
Fermi organizza una serie di seminari per lo staff dei fisici che lavorano a Chicago sulla fisica dei neutroni e sulla reazione a catena (Slowing down and Diffusion of Neutrons; Determination of the Albedo and the Measurement of slow Neutron Density; The Absorption of Graphite for Thermal Neutrons [Rallentamento e diffusione dei neutroni; Determinazione dell'albedo e misura della densità di neutroni lenti; Il potere assorbente della grafite per i neutroni termici]).
In ottobre, le quantità di grafite e di ossido di uranio cominciano ad avvicinarsi molto a quella necessaria per la costruzione di una pila destinata a raggiungere lo stato critico.
Il progetto iniziale è quello di montare la pila nella foresta delle Argonne, ma uno sciopero ne ritarda a tal punto la costruzione che Fermi propone di utilizzare lo spazio sottostante le gradinate dello stadio dell'Università di Chicago, al centro di una zona densamente abitata. Fermi è talmente sicuro di sé da riuscire a convincere Arthur Compton, responsabile per le ricerche sulla reazione a catena, e il generale Leslie Groves, direttore del Progetto Manhattan.
La decisione definitiva viene presa il 14 novembre. La mattina del 2 dicembre si decide di procedere al montaggio dell'ultimo strato di uranio e grafite, il 57°, quello che in base ai risultati delle misure avrebbe reso critica la pila innescando la reazione a catena.
Sbarre di legno avvolte in sottili fogli di cadmio (un potente assorbitore di neutroni, come Fermi e il suo gruppo avevano scoperto a suo tempo) vengono inserite all'interno della pila per tenere sotto controllo la reazione.
Fermi assume la direzione delle operazioni alla presenza di circa quaranta persone, quasi tutti scienziati del Metallurgical Laboratory. Fermi ha predisposto una serie di operazioni per raggiungere la soglia critica gradualmente e in modo perfettamente controllabile. L'ultima sbarra di cadmio viene estratta pezzo dopo pezzo. Ogni volta si procede con la misura dell'aumento del flusso di neutroni.
Fermi utilizza il regolo e i grafici per decidere le dimensioni del passo successivo, migliorando di volta in volta la sua capacità di previsione. Il processo converge rapidamente verso il punto critico e le sue capacità di previsione si fanno più accurate. Al momento di fare il passo finale, Fermi è perfettamente sicuro che la pila raggiungerà la criticità.
In effetti, una volta estratta completamente la barra, la pila diventa critica: ha luogo la prima reazione a catena autosostenuta nella storia dell'uomo.
Leo Szilard, che tanto aveva fatto per spingere ad utilizzare l'energia nucleare, commenta:"Questo è un giorno infausto per la storia dell'uomo!", mentre Fermi, nel rapporto mensile di dicembre (Experimental production of a divergent Chain Reaction [Esperimento di produzione di una reazione a catena divergente]) scrive semplicemente:"La struttura per la reazione a catena è stata completata il 2 dicembre e da allora ha continuato a funzionare in modo soddisfacente".
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Bibliografia di riferimento
Conoscere Fermi, Carlo Bernardini e Luisa Bonolis, Editrice Compositori, Bologna
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