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Un pezzo di storia nucleare torna in vita
Gretchen Ertl
Si nascondeva in bella vista in una stanza laterale del Nuclear Reactor Lab del MIT, coperto da un sottile strato di pannelli di metallo che lo facevano sembrare un armadio di grandi dimensioni. Ma dentro quella semplice scatola di metallo c'era un importante pezzo di storia e un potenziale vantaggio per i programmi di ricerca e istruzione del MIT in ingegneria nucleare.
La scatola conteneva una pila esponenziale di grafite, una versione in scala ridotta del dispositivo fisico Enrico Fermi costruito sotto le tribune dello stadio di football dell'Università di Chicago per inaugurare l'era atomica. L'esperimento di Fermi del 1942 utilizzava la grafite per rallentare i neutroni emanati da una sorgente di radiazioni di un fattore superiore al milione. Ciò li ha portati a interagire con gli atomi nelle barre di uranio inserite nella pila, dando inizio alla prima reazione a catena di fissione nucleare controllata al mondo. Ha dimostrato le teorie che hanno portato alla prima bomba atomica e, non molto tempo dopo, ai primi reattori nucleari.
Negli anni successivi, dopo che la segretezza della ricerca in tempo di guerra è stata revocata, le università e i laboratori di ricerca di tutto il paese si sono affrettati a costruire le proprie pile di grafite, versioni più piccole che non avrebbero prodotto reazioni a catena ma avrebbero potuto far avanzare la ricerca in questa tecnologia nascente. Almeno 25 sono stati costruiti, afferma Kord Smith, NUE '79, SM '79, PhD '80, professore di pratica di scienze e ingegneria nucleare KEPCO del MIT. Ma all'inizio degli anni '60, l'industria dell'energia nucleare aveva deciso fermamente un approccio diverso alla progettazione di reattori a fissione, utilizzando acqua normale o acqua pesante (prodotta da ossigeno e deuterio, la forma pesante dell'idrogeno) invece della grafite per rallentare i neutroni e facilitare la fissione. Nel giro di pochi anni, la maggior parte delle rimanenti pile di grafite furono smantellate o messe fuori servizio.
Il MIT era stato uno dei primi a costruire un mucchio di grafite, nel 1957, e quel dispositivo era il più grande costruito dopo quello di Fermi, a metà della larghezza dell'originale. Fu chiuso come gli altri, apparentemente nei primi anni '60, e rimase lì, dimenticato, finché il professor Michael Short di NSE non si chiese cosa ci fosse dentro la scatola misteriosa.
Era difficile credere che non fossi a conoscenza dell'esistenza di questo dispositivo unico, nonostante fossi stato studente di scienze nucleari e ingegneria e avessi mantenuto un'associazione di lunga data con NSE, afferma Smith, che insegna nel dipartimento dal 2011 Ma una volta che seppe che era lì, se ne andò e stava correndo con i piani per rimetterlo in funzione, in parte perché sapeva, dall'usarne uno alla Kansas State negli anni '70, quanto potesse essere utile per la ricerca e l'istruzione, e in parte per celebrare il 75° anniversario dell'esperimento di Fermi.
Il dispositivo è essenzialmente un grande mucchio di blocchi a forma di cubo di pura grafite, lo stesso materiale che si trova nella mina di matita, con fori praticati per consentire l'inserimento delle barre di uranio. Realizzati con uranio naturale non arricchito, emettono livelli di radiazioni così bassi che possono essere maneggiati in sicurezza a mani nude, dice Smith, che è ciò che Fermi e i suoi collaboratori fecero nel 1942.
Tuttavia, non si tratta solo di un po' di nostalgia o di un pezzo da museo. Molti modelli di reattori più recenti, come i reattori a letto di ciottoli progettati per essere intrinsecamente sicuri e a prova di fusione, si basano su pellet di combustibile all'uranio con rivestimento in grafite. Ma ci sono pochissimi posti oggi in cui svolgere ricerche di base sul comportamento della grafite in un ambiente di fissione nucleare.
La pila di grafite del MIT, composta da 30 tonnellate di mattoni di grafite pura e 2,5 tonnellate di uranio, è stata ora riportata in condizioni di lavoro e i membri dell'NSE hanno condotto una ricreazione cerimoniale dell'esperimento storico di Fermi nel momento esatto del 75° anniversario dell'evento, il 2 dicembre 2017. Questo ha segnato l'inizio della nuova vita del mucchio.
Mentre gli esperimenti nelle principali strutture di ricerca nucleare nazionali richiedono mesi di pianificazione e rigorosi processi di applicazione, gli studenti saranno in grado di costruire, testare e ottenere risultati dagli esperimenti nel mucchio di grafite in pochi giorni, afferma Smith. Darà loro anche un'esperienza pratica con il funzionamento di un reattore.
Gli studenti avrebbero dovuto utilizzare la pila a maggio per effettuare misurazioni delle radiazioni in situ; in autunno, lo utilizzeranno due corsi NSE. L'entusiasmo degli studenti è tremendo, dice Smith: Tutti vogliono fare il pieno di carburante!