Progetto Manhattan

Progetto Manhattan

Progetto Manhattan


Il Progetto Manhattan fu il programma di ricerca condotto, dagli Stati Uniti durante la seconda guerra mondiale, che portò alla costruzione della prima bomba atomica. Fu diretto dal fisico americano Robert Oppenheimer.

La problematica industriale era incentrata sulla produzione di una quantità sufficiente di materiale fissile con adeguata purezza. Il progetto seguì due strade parallele, che portarono alla produzione di due bombe diverse.

La prima (Little Boy), sganciata su Hiroshima, era composta da uranio-235, un isotopo minore dell’uranio che venne separato fisicamente dal più prevalente uranio-238, che non è adatto per l’uso in una bomba. La separazione venne effettuata principalmente per diffusione gassosa dell’esafluoruro di uranio (UF6), ma anche con altre tecniche. Il grosso di questo lavoro di separazione venne svolto all’Oak Ridge National Laboratory.

La bomba sganciata su Nagasaki (Fat Man) invece, consisteva principalmente di plutonio-239, un elemento sintetico che diventa critico solo tramite implosione. La progettazione di un meccanismo per l’implosione fu al centro degli sforzi dei fisici del Los Alamos National Laboratory. Le proprietà dell’uranio-238, che lo rendono inadatto per l’uso diretto in una bomba atomica, sono utilizzate nella produzione di plutonio. Usando neutroni sufficientemente lenti l’uranio-238 assorbe neutroni e si trasmuta in plutonio-239. La produzione e purificazione del plutonio furono al centro degli sforzi compiuti in tempo di guerra e nel dopoguerra all’Hanford Site, usando tecniche sviluppate in parte da Glenn Seaborg.

La scelta di utilizzare bersagli civili anziché militari è stata spesso criticata. Comunque, gli Stati Uniti portavano già avanti una politica di massicci attacchi incendiari su obiettivi civili in Giappone. Durante questi attacchi il 20% degli esplosivi aveva lo scopo di spezzare le strutture di legno degli edifici, il restante 80%, composto da piccole bombe incendiarie, dava fuoco alle città. Questi raid distrussero completamente molte città giapponesi, compresa Tokyo, ancor prima dell’utilizzo di armi atomiche. Questi attacchi vennero condotti a causa del fatto che l’industria giapponese era estremamente dispersa tra gli obiettivi civili, con tante piccole fabbriche a conduzione familiare, operanti in mezzo alle abitazioni.

Storia

Negli anni a cavallo tra la prima e la seconda guerra mondiale, gli Stati Uniti avevano assunto una posizione predominante nella fisica nucleare, grazie al lavoro di fisici americani e stranieri. Questi fisici svilupparono gli strumenti di base della fisica nucleare (ciclotroni e altri acceleratori di particelle), e grazie a questi crearono molte nuove sostanze, compresi radioisotopi come il carbonio-14.

Prime idee sull’energia nucleare

Enrico Fermi ricordò le origini del progetto in una conferenza tenuta nel 1954 quando si ritirò dalla carica di presidente dell’APS.

Mi ricordo chiaramente il primo mese, nel Gennaio 1939, in cui iniziai a lavorare ai Pupin Laboratories perché le cose iniziarono ad accadere molto rapidamente. In quel periodo, Niels Bohr era impegnato come lettore a Princeton e mi ricordo che un pomeriggio Willis Lamb tornò molto eccitato e disse che Bohr aveva fatto trapelare grandi novità. La grande novità era la scoperta della fissione nucleare e quanto meno le linee principali della sua interpretazione. Quindi, più tardi nel corso di quel mese, ci fu una riunione a Washington dove la possibile importanza dell’appena scoperto fenomeno della fissione, venne discussa in tono semi scherzoso, come possibile fonte di energia nucleare.

In Germania gli scienziati scoprirono la fissione verso la fine del 1938. Scienziati rifugiatisi in america come Leo Szilard, Edward Teller ed Eugene Wigner ritenevano che l’energia rilasciata durante la fissione nucleare avrebbe potuto essere utilizzata per una bomba dai tedeschi. Essi persuasero Albert Einstein, il fisico più famoso in america, ad avvertire il presidente Franklin Delano Roosevelt di questo pericolo.

L’11 ottobre 1939, al presidente Roosevelt, venne consegnata una lettera firmata da Albert Einstein (trascritta da Leo Szilard), che sollecitava gli Stati Uniti a sviluppare raidamente un programma di armamento atomico. Il presidente accettò. La Marina assegnò alla Columbia University un primo fondo di 6.000 dollari, che diventò poi il Progetto Manhattan grazie al lavoro di Oppenheimer ed Enrico Fermi.

Sotto gli auspici di Lyman Briggs, capo del National Bureau of Standards , piccoli programmi di ricerca iniziarono nel 1939 al Naval Research Laboratory di Washington, dove il fisico Philip Abelson esplorò la separazione degli isotopi di uranio. Alla Columbia University il fisico nucleare italiano Enrico Fermi costruì un prototipo di reattore nucleare usando varie configurazioni di grafite e uranio.

Vannevar Bush, direttore della Carnegie Institution di Washington, organizzò il National Defense Research Committee nel 1940, per mobilizzare le risorse scientifiche degli Stati Uniti in supporto allo sforzo bellico.

Vennero creati nuovi laboratori, compresi il Radiation Laboratory del Massachusetts Institute of Technology, che aiutò nello sviluppo del radar, e l’Underwater Sound Laboratory di San Diego, che sviluppò il sonar.

Anche il National Defense Research Council (NDRC) si occupò del progetto uranio quando venne dichiarato il programma di fisica nucleare di Briggs. Nel 1940, Bush e Roosevelt crearono l’Office of Scientific Research and Development per ampliare questi sforzi.

Il progetto uranio non aveva ancora fatto molti progressi nell’estate del 1941, quando giunse voce che in base a calcoli fatti da Otto Frisch e Fritz Peierls, un quantitativo molto piccolo di un isotopo fissionabile dell’uranio (U-235), poteva produrre un esplosione equivalente a diverse migliaia di tonnellate di TNT.

La National Academy of Sciences propose uno sforzo colossale per costruire armi atomiche. Bush creò un comitato speciale, il comitato S-1, per dirigere questo sforzo. Ancor prima di prendere questa decisione i giapponesi bombardarono Pearl Harbor il 7 dicembre 1941. Gli Stati Uniti entravano in guerra.

Ai Metallurgical Laboratory dell’Univerità di Chicago, ai Radiation Laboratory dell’Università della California e nel dipartimento di fisica della Columbia University, gli sforzi per preparare il materiale nucleare per una bomba vennero accelerati. L’uranio-235 doveva essere separato dal minerale di uranio e il plutonio veniva ottenuto tramite bombardamento di neutroni dell’uranio naturale. A partire dal 1942, grossi impianti vennero costruiti all’Oak Ridge National Laboratory (Site X) in Tennessee e all’Hanford Site (Site W) fuori Washington, per produrre questi materiali.

Quando gli Stati Uniti entrarono nella seconda guerra mondiale, nel dicembre 1941, diversi progetti erano già in corso, per investigare la separazione dell’uranio-235 fissionabile dall’uranio-238, la produzione del plutonio, e la fattibilità delle pile nucleari e delle esplosioni.

Il fisico e Premio Nobel Arthur Holly Compton organizzò il Metallurgical Laboratory dell’Università di Chicago all’inizio del 1942 per studiare il plutonio e le pile a fissione. Compton chiese al fisico teorico Robert Oppenheimer dell’Università della California, di studiare la fattibilità di un’arma atomica.

Nella primavera del 1942, Oppenheimer e Robert Serber, dell’ Università dell’Illinois, lavorarono sul problema della diffusione di neutroni (come i neutroni si muovono in una reazione a catena e sull’idrodinamica (come l’esplosione prodotta dalla reazione a catena potrebbe comportarsi).

Per rivedere questo lavoro e la teoria generale delle reazioni di fissione, Oppenheimer riunì una sessione estiva all’Università della California nel giugno 1942. I teorici Hans Bethe, John Van Vleck, Edward Teller, Felix Bloch, Richard Tolman ed Emil Konopinski conclusero che una bomba a fissione era fattibile. Gli scienziati suggerirono che tale reazione venisse iniziata assemblando una massa critica (una quantità di esplosivo nucleare che potesse sostenerla): o sparando una contro l’altra due masse sottocritiche di plutonio o uranio-235, o facendo implodere una sfera cava composta da questi materiali ricoperti di esplosivo ad alto potenziale. In mancanza di migliori dati sperimentali, questo era tutto ciò che si poteva fare.

Teller vide un’altra possibilità: circondando una bomba a fissione con deuterio e trizio, era possibile costruire una “superbomba” molto più potente. Questo concetto, si basava su studi della produzione di energia nelle stelle fatti da Bethe prima della guerra. Quando l’onda prodotta dalla detonazione della bomba a fissione si muove attraverso una miscela di nuclei di deuterio e trizio, questi si fondono assieme producendo più energia di quella della fissione, in un processo di fusione nucleare, esattamente come gli elementi fusi nel sole producono calore e luce.

Bethe era scettico, e quando Teller spinse per la sua “superbomba” proponendo schema dopo schema, Bethe li rigetto tutti. Quando Teller sollevò la possibilità che una bomba atomica potesse incendiare l’atmosfera, comunque, egli instillo una preoccupazione che non si estinse completamente fino al Trinty test, anche se Bethe mostrò, teoricamente, che non poteva succedere.

La conferenza estiva, i risultati della quale furono riassunti da Serber nel “The Los Alamos Primer” (LA-1), fornirono le basi teoriche per la costruzione della bomba atomica, che sarebbe diventato il compito principale a Los Alamos durante la guerra, e l’idea della bomba H, che sarebbe stata perseguita nei laboratori del dopoguerra. Raramente una sessione estiva di fisica è stata così determinante per il futuro dell’umanità.

Una questione cruciale rimase in sospeso, circa le proprietà dei neutroni veloci. John Manley, un fisico dei Metallurgical Laboratory, venne incaricato di aiutare Oppenheimer a trovare risposte a queste questioni, coordinando diversi gruppi di fisica sperimentale sparsi per tutta la nazione.

Le misurazioni delle interazioni di neutroni veloci con i materiali di una bomba sono essenziali perché il numero di neutroni prodotti nella fissione dell’uranio e del plutonio devono essere noti e perché la sostanza che circonda il materiale nucleare deve avere la capacità di riflettere o spargere i neutroni dentro alla reazione a catena prima dell’esplosione per poter aumentare l’energia prodotta. Quindi le proporietà di spargimento dei neutroni, dei materiali, dovettero essere misurate per poter trovare i migliori riflettenti.

Stimare il potere esplosivo richiede conoscenza di molte proprietà nucleari, compresa la sezione trasversale (una misura della probabilità dell’incorntro tra particelle che risulti in uno specifico effetto) per i processi nucleari dei neutroni nell’uranio e in altri elementi. I neutroni veloci possono essere prodotti solo negli acceleratori di particelle, che erano ancora strumenti relativamente poco diffusi nei dipartimenti di fisica del 1942.

Il bisogno di un miglior coordinamento era chiaro. Nel settembre 1942, le difficoltà connesse con la conduzione di studi preliminari sulle armi atomiche in università sparse per tutti gli Stati Uniti, indicarono il bisogno di un laboratorio dedicato unicamente a quello scopo. Tale bisogno era però oscurato dalla richiesta di impianti di produzione per l’uranio-235 e il plutonio, i materiali fissionabili che avrebbero fornito l’esplosivo nucleare.

Vannevar Bush, il capo dell’Office of Scientific Research and Development (OSRD), chiese al presidente Franklin Roosevelt di assegnare le operazioni su larga scala connesse con il rapido evolversi del progetto di armamento nucleare ai militari. Roosevelt scelse che l’esercito lavorasse con l’OSRD nella costruzione degli impianti di produzione. Il genio militare scelse il colonnello James Marshall per supervisionare la costruzione degli impianti per la separazione degli isotopi di uranio e la produzione di plutonio per la bomba.

Gli scienziati dell’OSRD esplorarono diversi metodi di produzione del plutonio e di separazione dell’uranio-235 dall’uranio, ma nessuno di questi era pronto per la produzione, solo quantità microscopiche erano state preparate.

Solo un metodo, la separazione elettromagnetica, sviluppato da Ernest Lawrence ai Radiation Laboratory di Berkeley, sembrava promettente per la produzione su larga scala. Ma gli scienziati non potevano smettere di studiare altri metodi potenziali di produzione del materiale fissionabile, poiché era molto costoso e perché non ci si poteva attendere che solo con questo si potesse produrre abbastanza materiale prima della fine della guerra.

Marshall e il suo delegato, colonnello Kenneth Nichols, dovettero lottare per comprendere il processo e gli scienziati con cui dovevano lavorare. Scagliati all’improvviso nel nuovo campo della fisica nucleare, si sentirono incapaci di distinguere tra preferenze tecniche e personali. Anche se decisero che un sito vicino a Knoxville, Tennessee, sarebbe stato adatto per il primo impianto di produzione, non sapevano quanto grande dovesse essere il sito e quindi rinunciarono all’acquisizione. Ma c’erano anche altri problemi.

A causa della sua natura sperimentale, il lavoro sull’arma atomica non poteva competere con altri più urgenti compiti dell’esercito, per l’assegnazione di un’alta priorità. La scelta delle masioni degli scienziati e della costruzione degli impianti di produzione erano spesso ritardati dall’incapacità di Marshall di recuperare materiali critici, come l’acciaio, che erano necessari anche per altre produzioni militari.

Anche la scelta del nome per il nuovo progetto dell’esercito fu difficile. Il titolo scelto dal generale Brehon Somervell, “Sviluppo di materiali sostitutivi”, era discutibile poiché sembrava rivelare troppo.

Il distretto Manhattan

Nell’estate 1942, il colonnello Leslie Groves era delegato al comando delle costruzioni per il genio dell’esecito americano e aveva supervisionato la costruzione del Pentagono, il più grande palazzo di uffici del mondo. Sperando il un comando oltremare, Groves obiettò quando Somervell lo incaricò di prendere il controllo del progetto di armamenti. Le sue obiezioni vennero rigettate e Groves si rassegnò a guidare un progetto che riteneva avesse poche probabilità di successo.

La prima cosa che fece fu ribattezzare il progetto come Il distretto Manhattan. Il nome deriva dall’abitudine del genio di nominare i distretti in base alla città che ospita il quartier generale (il quartier generale di Marshall era a New York). Al tempo stesso, Groves venne promosso a brigadiere generale, il che gli diede un grado che si pensava fosse necessario per trattare con i più anziani scienziati del progetto.

Nel giro di una settimana dalla sua nomina, Groves aveva risolto i problemi più urgenti del Progetto Manhattan. Questo modo di agire valido ed efficace divenne anche troppo familiare per gli scienziati atomici.

Il primo grande ostacolo scientifico del progetto venne risolto il 2 dicembre 1942 sotto le lavanderie di Stagg Field all’Università di Chicago. Li un gruppo guidato da Enrico Fermi inizio la prima reazione a catena nucleare autoalimentata. Un messaggio in codice, “Il navigatore italiano è giunto nel nuovo mondo” fu inviato al presidente Roosevelt per avvisarlo che l’esperimento aveva avuto successo.

Progetti simili

Uno sforzo simile venne intrapreso in Unione Sovietica, guidato da Igor Kurchatov (con l’importante differenza che molte delle investigazioni di Kurchatov durante la seconda guerra mondiale arrivavano di seconda mano dal Progetto Manhattan grazie allo spionaggio. Altri progetti vennero abbozzati in Germania, sotto la guida di Werner Heisenberg, e in Giappone.

Assieme agli sforzi crittografici condotti a Bletchley Park in Inghilterra, ad Arlington Hall e al Naval Communications Annex di Washington DC, e allo sviluppo del radar ai Radiation Lab del MIT’, il Progetto Manhattan rappresenta uno dei pochi sforzi tecnologici massicci, segreti e di successo prodotti dal secondo conflitto mondiale.

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