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Il Progetto Manhattan

Il Progetto Manhattan

Storiaestorie

di Giorgio Baruzzi

Che cosa fu il Progetto Manhattan

Il Progetto per la bomba atomica

Il Progetto Manhattan fu il programma di ricerca e sviluppo che portò alla realizzazione delle prime bombe atomiche alla fine della Seconda guerra mondiale e che fu realizzato dagli Stati Uniti con il sostegno economico e scientifico di Canada e Regno Unito.

Il coordinamento gestionale, amministrativo e militare del Progetto fu affidato al generale Leslie Groves, mentre la direzione scientifica fu affidata al fisico Robert Oppenheimer. Inoltre, la sede direzionale si trovava in un edificio di Manhattan, a New York, da cui il nome del progetto, che però ebbe basi e sedi in tutti gli Stati Uniti.

I costi

Il Progetto costò circa 2 miliardi di dollari, 28 miliardi attuali, occupò più di 130 000 persone e fu sino allora il secondo più grande progetto di ricerca scientifica della storia, dopo quello del radar. Oltre il 90% dei costi fu impiegato per costruire edifici e produrre materiale fissile, con solo il 10% impiegato per lo sviluppo e la produzione delle bombe.

Hiroshima e Nagasaki

Il 6 agosto 1945 fu fatta esplodere su Hiroshima la bomba atomica all’uranio Little Boy (“ragazzino”), e tre giorni dopo, il 9 agosto, fu sganciata su Nagasaki la bomba al plutonio Fat man (“uomo grasso”). La prima bomba provocò complessivamente tra 150 e 200.000 mila morti, come conseguenza immediata dell’esplosione e successivamente delle radiazioni e delle ferite e/o malattie, la seconda circa 100.000.

Le motivazioni del Progetto Manhattan

Nellagosto del 1939, i fisici ungheresi Leo Szilard, Eugene Wigner e Edward Teller, ebrei rifugiati negli Stati Uniti per sfuggire al nazismo, convinsero Albert Einstein a firmare una lettera destinata al presidente americano Roosevelt, per allertarlo sui progressi compiuti dai laboratori tedeschi nella scissione dellatomo e sulla possibilità che la Germania nazista potesse per prima produrre armi atomiche capaci di distruzioni inimmaginabili. Nella lettera a Roosevelt, Einstein esortava il presidente a finanziare e accelerare la ricerca scientifica nel settore e la produzione di uranio, allo scopo di impedire che Hitler per primo potesse entrare in possesso di tali armi.

Il 1 settembre 1939 scoppiò la Seconda guerra mondiale. Anche se in quella fase gli Stati Uniti non furono direttamente coinvolti, Roosevelt decise di accogliere il consiglio di Einstein e negli anni successivi più di tremila fra scienziati e tecnici, sotto la direzione di Robert Oppenheimer, nell’ambito del Progetto Manhattan, lavorarono a costruire la bomba atomica. I fisici migliori (alcuni sfuggiti al totalitarismo nazista) presero parte al progetto. Un ruolo centrale ebbe Enrico Fermi, costretto a lasciare l’Italia perché sua moglie era ebrea, che aveva dimostrato sperimentalmente la fissione nucleare.

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Link utili

Biblio-sitografia [Progetto Manhattan]

Biblio-sitografia [Progetto Manhattan]

Storiaestorie

di Giorgio Baruzzi

Biblio-sitografia [Progetto Manhattan]

Sitografia

http://scienzapertutti.infn.it/rubriche/biografie/2852-oppenheimer-j-robert

http://scienzapertutti.infn.it/ricerca?searchword=atomica&ordering=newest&searchphrase=all

https://www.thoughtco.com/atomic-bombing-hiroshima-and-nagasaki-1779992

http://www.atomicarchive.com/History/mp/index.shtml

http://nuclearweaponarchive.org/index.html

http://www.raiscuola.rai.it/articoli/los-alamos-storia-della-bomba-atomica-e-di-una-citt%C3%A0-fantasma/6402/default.aspx

https://it.wikipedia.org/wiki/Progetto_Manhattan

https://archive.org/details/ISawBombingOfHiroshima

https://gpreview.kingborn.net/543000/a59803a697bd47d5a3c3a2ac42fe9690.pdf

La piaga atomica, articolo di Wilfred Burchett su The Daily Express, London, 5 September 1945. In Rebel Journalism, The Writings of Wilfred Burchett, Cambridge:    https://www.cambridge.org/it/academic/subjects/politics-international-relations/politics-general-interest/rebel-journalism-writings-wilfred-burchett?format=PB&isbn=9780521718264

https://www.lettera43.it/it/articoli/mondo/2018/08/06/hiroshima-bomba-atomica/222456/

Bibliografia

Richard Rhodes, L’invenzione della bomba atomica, Rizzoli, 2005.

Akiko Mikamo, Sopravvissuto alla bomba atomica, Newton Compton, Roma, 2015

Stephen Walker, Appuntamento a Hiroshima, Longanesi, 2005.

Karl Brückner, Il gran sole di Hiroshima, 2003

La piaga atomica, articolo di Wilfred Burchett su The Daily Express, London, 5 September 1945. In Rebel Journalism, The Writings of Wilfred Burchett. https://www.amazon.it/Rebel-Journalism-Writings-Wilfred-Burchett/dp/0521718260

I Saw It: The Atomic Bombing of Hiroshima, a Survivor’s True Story Comics – December 1, 1982 su Amazon: https://www.amazon.com/Saw-Atomic-Bombing-Hiroshima-Survivors/dp/B0006YXP8Y

Franco Palumberi, Il Progetto Manhattan. Atomo e industrializzazione della scienza. In lotta comunista, luglio-agosto 2018.

Film e documentari

L’ombra di mille soli (Fat Man and Little Boy), USA 1990, col, 126′, regia di Roland Joffé.

Pika-don di Kinoshita Renzo, realizzato nel 1978 e che costituisce la prima rappresentazione animata dell’attacco atomico a Hiroshima. https://www.youtube.com/watch?time_continue=10&v=eEOZ1sBppWs

http://www.raistoria.rai.it/cerca.aspx?s=Manhattan

https://www.raiplay.it/video/2015/06/Ulisse-Il-piacere-della-scoperta-Hiroshima-e-Nagasaki-i-giorni-della-bomba-57ab9510-6679-47ca-bc5c-8a8951793498.html

http://www.lastoriasiamonoi.rai.it/puntate/il-bombardamento-atomico-di-hiroshima/11/default.aspx

https://archive.org/details/USAF-11034 (Atomic Bomb, Medical Aspect, Hiroshima, Japan, 03/23/1946 GRAPHIC by United States. Army Air Forces)

http://www.scienze.rai.it/speciale/lera-atomica/1102/-1/default.aspx

http://www.raiscuola.rai.it/speciale/lera-atomica/244/4709/default.aspx

Canzoni:

Il pilota di Hiroshima

Il pilota di Hiroshima_2 (Daolio)

https://en.wikipedia.org/wiki/Songs_about_nuclear_war

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La realizzazione del Progetto Manahattan

La realizzazione del Progetto Manahattan

Storiaestorie

di Giorgio Baruzzi

La realizzazione del progetto.

Nel 1939 il fisico Niels Bohr sostenne che l’uranio-235 (U-235) avrebbe potuto essere separato dall’uranio-238 (U-238) solo trasformando il paese in una gigantesca fabbrica (Richard Rhodes, The making of the atomica bomb, 1990). È quanto avvenne con il Progetto Manhattan per la produzione della bomba atomica.

Alla fine del 1941 negli Stati Uniti l’uranio in forma metallica esistente era di pochi grammi, ricavati su base sperimentale da Westinghouse Electric. Da quei pochi grammi e da una teoria non ancora provata, quella della reazione a catena, iniziò il Progetto Manhattan. Bisognava produrre qualche tonnellata di U-235 e di plutonio.

Nel settembre del 1942 l’esercito ottenne la responsabilità del Progetto Manhattan. La sua direzione fu affidata al generale Leslie Richard Groves, distintosi per le sue notevoli capacità organizzative, che scelse come direttore scientifico del Laboratorio di Los Alamos e dell’intero Progetto il fisico J. Robert Oppenheimer.

Il reattore di Fermi

La prima attività sperimentale concreta non riguardò tuttavia la bomba. Infatti il 2 dicembre 1942, il gruppo di Enrico Fermi, nel Metallurgical Laboratory di Chicago, dimostrò la fattibilità della reazione a catena, mettendo in funzione il primo reattore nucleare e innescando la prima reazione nucleare controllata.

Se il primo obiettivo del Metallurgical Laboratory era di dimostrare la possibilità della reazione a catena, il secondo era di dimostrare la fattibilità della produzione di plutonio. I risultati sperimentali furono che per produrre un chilogrammo di plutonio al giorno era necessario un impianto della potenza di un milione e mezzo di chilowatt (kW). C’era inoltre il problema dello smaltimento dell’enorme energia termica generata nel processo di produzione del plutonio, cosa possibile solo se l’impianto fosse stato vicino a un grande fiume.

Oak Ridge, Hanford, Los Alamos

Il Progetto Manhattan ufficialmente Manhattan Engineer District occupò i tre siti principali (Oak Ridge, Hanford e Los Alamos), più di un centinaio di siti minori e impiegò circa 130.000 persone contemporaneamente e centinaia di migliaia negli anni fra il 1942 e il 1946.

La costruzione dei tre siti principali avvenne nella massima segretezza ed essi furono indicati con le lettere X (Oak Ridge), W (Hanford) e Y (Los Alamos). L’incarico di costruire gli impianti fu affidato alla compagnia chimica Du Pont. La scienza si combinava con l’industria: Du Pont aveva l’ingegneria e l’esperienza industriale, il Metallurgical Laboratory l’esperienza in fisica nucleare.

A Oak Ridge (X), vicino al fiume Tennessee, da gennaio del 1943, si procedette alla costruzione degli impianti di produzione dell’uranio 235, attività che occupò circa 70.000 unità.

A Hanford (W), sul fiume Columbia, Stato di Washington, iniziò la costruzione di un grande impianto per la produzione del plutonio, attorno al quale fu costruita una città che nel 1944 raggiunse i 60.000 abitanti.

A Los Alamos, una vasta area sull’omonimo altopiano desertico del New Mexico, Groves fece costruire la bomba vera e propria. Lesercito iniziò la costruzione del primo nucleo di baracche e nell’arco di pochi mesi fu edificata ex-novo una città. Nella più totale segretezza vi giunsero centinaia di scienziati, tra i quali Oppenheimer (che assunse la direzione del laboratorio e dell’intero Progetto), Bethe, Teller, Frisch, Segré, Fermi, Wigner e Klaus Fuchs, seguiti dalle loro famiglie, al servizio dell’esercito.

Nella cittadella fortificata e difesa da 4000 soldati essi vivevano sotto sorveglianza e sotto falso nome, in assoluta segregazione e segretezza. Per oltre due anni (dal 1943) i laboratori e l’intera cittadina che si sviluppò attorno ad essi non furono segnati sulle mappe e rimasero conosciuti all’esterno come sito Y. Le persone occupate raggiunsero le 3000 unità nel 1944.

Scienza e industria

L’equipe di scienziati, lavorando in gran segreto, riuscì in breve tempo a realizzare ciò che in circostanze diverse avrebbe richiesto moltissimo tempo: in soli tre anni fu costruita la bomba. Le ragioni di un simile successo sono da ricercarsi nell’enorme massa di denaro investita, nella concentrazione in un solo stato dei più grandi fisici del tempo, nella potenza industriale e nelle capacità organizzative degli Stati Uniti.

Los Alamos fu solo una piccola parte di uno sforzo industriale gigantesco per produrre solo quattro bombe, una per l’esperimento di Almogardo, due sganciate sul Giappone e una non utilizzata. Se la costruzione della bomba fu realizzata a Los Alamos, il grande sforzo industriale fu a Oak Ridge, per produrre l’uranio arricchito e a Hanford per la produzione del plutonio.

In questi due siti lavorarono decine di migliaia di persone, sostenute da fabbriche e laboratori distribuiti in ben 39 Stati degli USA. Le persone coinvolte nel Progetto Manhattan in modo diretto o indiretto furono alla fine oltre 600.000, secondo le stime di Groves (Diana Preston, Before the fallout, from Marie Curie to Hiroshima, 2005).

Le risorse impiegate.

Oltre la metà dei finanziamenti stanziati fu impiegata per la separazione dei materiali. Nei due impianti lavorarono decine di migliaia di persone.

Per la separazione dell’U-235 dall’U-238, con i metodi allora utilizzati della diffusione gassosa e della separazione elettromagnetica, servivano migliaia di kW, forniti dalle centrali elettriche della Tennessee Valley Autority, che aveva operato nella pianificazione di progetti su grande scala per l’elettrificazione degli USA.

Le più importanti imprese che parteciparono al progetto furono: Phelps Dodge, Allis-Chalmers, Stone & Webster, Tennessee Eastman, M.W. Kellogg, Bell Telephone Laboratories, Bakelite Corporation, General Electric, E.I. du Pont de Nemours, Harshaw Chemical Company, Kellex Corporation, Mallinckrodt Chemical Works, Metal Hydres Co., National Carbon Company, Newmont Mining Corporation, Speer Carbon Company, Speer Graphite Company, Westinghouse. Monsanto.

Nel Progetto Manhattan, sotto il potere centralizzatore dei militari, la fisica quantistica e la fisica relativistica si fusero con l’ingegneria civile, con l’ingegneria elettrica, la chimica, la metallurgia e il management scientifico delle grandi imprese industriali.

Il costo per la produzione dell’U-235 fu il 64% del costo totale del progetto e quello per la produzione del plutonio il 20%: in totale l’84% del costo andò alla produzione del materiale delle bombe atomiche, contro solo il 4% della spesa in ricerca e sviluppo.

Negli anni 1940-44 la produzione annua di energia elettrica era in Germania di 56 terawattora (Twh: miliardi di kilowattora), in Gran Bretagna di 43 e negli Stati Uniti di 233: la Germania e la Gran Bretagna avevano la potenza scientifica ma non quella industriale per produrre la bomba atomica.

La prima bomba

Il progetto Manhattan fu coronato da pieno successo quando il 16 Luglio 1945, ad Alamogordo nel deserto del Nuovo Messico fu effettuato il Trinity test, la prima esplosione nucleare sperimentale di una bomba (denominata “The Gadget”) a fissione al Plutonio.

L’era nucleare ebbe così inizio. Il test iniziale di Alamogordo fu seguito con apprensione da quanti avevano contribuito a realizzarlo poiché nessuno poteva essere certo che la nuova arma avrebbe funzionato. L’esperimento superò di gran lunga le aspettative. «Sono divenuto Morte, il distruttore dei mondi», commentò il direttore del progetto, Oppenheimer.

http://nuclearweaponarchive.org/Usa/Tests/Trinity.html

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Uranio-235 e Plutonio.  [Progetto Manhattan]

Uranio-235 e Plutonio. [Progetto Manhattan]

Storiaestorie

di Giorgio Baruzzi

Uranio-235 e Plutonio.

[Progetto Manhattan]

E=mc2Quando Einstein nel 1905 formulò la rivoluzionaria equazione E = mc2 (lenergia contenuta o emessa da un corpo equivale alla massa per la velocità della luce nel vuoto al quadrato), gran parte dei fisici e degli ingegneri non le attribuì grande importanza pratica e neppure Einstein, probabilmente, poteva prevederne l’applicazione.

Tuttavia, proprio nel campo della fisica nucleare il principio einsteiniano ebbe le sue più convincenti conferme, quando i fisici realizzarono la fissione dell’atomo.

La fissione nucleare è un processo in cui il nucleo di un elemento chimico pesante decade in nuclei di atomi a numero atomico inferiore (cioè con minor numero di protoni).

Alcuni materiali fissili (come l’Uranio-235) hanno la potenzialità di dar vita a una reazione a catena, cioè a un processo di fissione nucleare che si autoalimenta, producendo grandi quantità di energia.

Il 31 agosto 1939 Bohr e John A. Wheeler pubblicarono un articolo scientifico in cui sostenevano che nel minerale di uranio era l’isotopo U-235 a sostenere la reazione a catena e non l’U-238. I due fisici formularono inoltre l’ipotesi dell’elemento 94 (il plutonio), elemento altamente fissionabile. I fondamenti teorici della bomba atomica erano così sostanzialmente posti: la ricerca doveva concentrarsi sull’U-35 e sul plutonio.

In natura l’uranio si trova in combinazione chimica con altri elementi, dai quali viene separato attraverso procedimenti chimico-metallurgici. L’uranio metallico ottenuto è una miscela composta per lo 0,7% dall’isotopo U-235 e per il 99,3% dall’isotopo U-238. Gli isotopi sono atomi che hanno numero atomico uguale ma massa atomica diversa: l’U-235 ha le stesse proprietà chimiche dell’U-238 ma un diverso peso atomico dovuto a un diverso numero di neutroni. L’U-235 ha 92 protoni e 143 neutroni con peso atomico 235, l’U-238 ha 92 protoni e 146 neutroni con peso atomico 238.

Poiché era l’Uranio-235 che interessava per la produzione della bomba atomica, esso doveva essere separato dall’U-238. Altro elemento altamente fissile è il plutonio, prodotto artificialmente: si forma dal decadimento dell’U-239, prodotto dall’assorbimento nell’U-238 di un neutrone. I due problemi che i fisici del progetto Manhattan dovevano quindi risolvere erano come produrre U-235 e plutonio in quantità sufficiente per costruire la bomba nucleare.

Hiroshima e Nagasaki dimostrarono la validità pratica della formula di Einstein:

la scienza fu messa al servizio della guerra e da strumento di progresso divenne strumento di morte.

Vedi: http://scienzapertutti.infn.it/chiedi-allesperto/tutte-le-risposte/744-144-in-un-sito-ho-letto-che-la-fusione-di-due-nuclei-di-idrogeno-comporta-che-una-quantita-di-massa-si-trasforma-in-energia-che-cosa-vuol-dire

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La fissione nucleare

Se un nucleo di Uranio 235 si fissiona, cioè si separa in due nuclei più leggeri e due neutroni, la massa totale delle quattro particelle emesse è normalmente inferiore alla massa del nucleo di uranio.

La differenza tra la massa dell’Uranio e la massa dei prodotti della fissione (le quattro particelle) si trasforma in energia.

Questa energia si manifesta in gran parte come energia cinetica (cioè velocità) delle particelle emesse. Questa energia cinetica microscopica viene trasferita mediante urti multipli al materiale circostante che si scalda. Se il processo di fissione coinvolge un numero molto elevato di nuclei di Uranio, mediante una reazione a catena, si produce una enorme quantità di energia che può essere utilizzata dall’uomo. Se la reazione a catena avviene lentamente in condizioni controllate possiamo costruire un reattore nucleare per produrre energia elettrica, se invece la reazione avviene in un tempo brevissimo in forma esplosiva abbiamo una bomba nucleare con gli effetti devastanti che oramai conosciamo.

In principio anche le reazioni chimiche liberano energia a scapito della massa dei prodotti della reazione che bruciano (come diciamo nel linguaggio corrente). La differenza tra una reazione chimica ed una nucleare è nella quantità di energia liberata. Quando un atomo di carbonio brucia, cioè si combina chimicamente con l’ossigeno dell’aria per formare l’anidride carbonica CO2, si libera una energia dell’ordine di 1 elettronVolt (1 eV).

Quando “brucia” un atomo di Uranio, cioè il suo nucleo si fissiona, si liberano circa duecento milioni di elettronvolt (200 MeV).

Naturalmente non è possibile convertire tutta la massa di un nucleo di Uranio in energia perché questo processo violerebbe diverse leggi della fisica dalla conservazione della carica alla conservazione del numero dei barioni, cioè la conservazione del numero complessivo di protoni e neutroni. Circa un millesimo della massa viene convertita in energia in un processo di fissione, ma questa frazione è cento milioni di volte più grande della massa che viene convertita in energia in una reazione chimica.

L’U-235

Un tipico esempio di fissione è dato dalla reazione che avviene a carico dell’uranio-235 definito fissile. Il processo viene innescato dal bombardamento del nucleo di U-235 con un neutrone: luranio lo assorbe, aumentando il proprio numero di massa di una unità (da 235 a 236); a questo punto subisce la fissione, scindendosi in due nuclei, bario e kripton. La somma dei numeri atomici di questi ultimi è 92 (coincide con il numero atomico del nucleo delluranio) ma la somma dei loro numeri di massa è pari a 233, dunque inferiore di 3 unità al numero di massa delluranio dopo lassorbimento del neutrone: ciò in quanto dalla reazione vengono emessi anche 3 neutroni più raggi gamma. L’emissione di neutroni consente l’autopropagazione della fissione (reazione a catena), in quanto basta che almeno uno di essi vada, a sua volta, a bombardare un altro nucleo di U235 perché la fissione si ripeta, liberando altri 3 neutroni e così di seguito.

U-238 e plutonio

Non subisce la fissione l’altro isotopo dell’uranio, cioè U-238: questo, bombardato con un neutrone, lo assorbe, aumentando il suo numero di massa da 238 a 239 (mentre il numero atomico rimane lo stesso, 92). A questo punto, però, non si ha la fissione, bensì l’emissione da parte del nucleo di un raggio beta, ossia di un elettrone: tale evento comporta l’aumento di una unità del numero atomico da 92 a 93, e la generazione di una nuova specie chimica, ossia il nettunio (Np). Anche questo emette un raggio beta così che il suo numero atomico passa da 93 a 94 generando il plutonio (94Pu239), fissile. Il nucleo dell’U238 non è fissile ma fertile, in quanto genera un nucleo fissile come il plutonio attraverso la “fertilizzazione”.

I primi processi di fissione

I primi processi di fissione furono ottenuti nel 1936 da un gruppo di fisici italiani guidati da Enrico Fermi, i cosiddetti “ragazzi di via Panisperna” mentre bombardavano dell’uranio con neutroni rallentati per mezzo di paraffina. Il gruppo di fisici però non si accorse di ciò che era avvenuto ma ritenne invece di aver prodotto degli elementi transuranici (elementi chimici con numero atomico maggiore di 92). Tre anni dopo, alcuni fisico-chimici tedeschi, Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Straßmann, furono i primi a capire che un nucleo di uranio 235, colpito quando assorbe un neutrone si rompe in due o più frammenti ed ha luogo cosi la fissione del nucleo. A questo punto per i fisici nucleari di tutto il mondo fu chiaro che si poteva usare questo processo, costruendo dei reattori che contenessero la reazione, per produrre energia o degli ordigni nucleari.