Il test "Baker" dell'operazione "Crossroads" (USAF, public domain via WikiCommons).

Con un giorno di ritardo rispetto alla data prevista – cioè il 72mo anniversario di Hiroshima – pubblico questo post su una vicenda quasi “tolkeniana” del Progetto Manhattan, ossia la storia di “Rufus”, il demon core di plutonio che doveva essere utilizzato per una terza bomba da lanciare nel caso il Giappone, dopo Hiroshima e Nagasaki, non si fosse ancora arreso.

Bottone di Plutonio
Il plutonio è letale se inalato o ingerito, ma non è particolarmente pericoloso da maneggiare. Qui un “bottone” di plutonio è tenuto in mano da un operatore protetto solo da speciali guanti. Notare però il sacchetto di plastica per evitare che eventuali polveri si spargano nell’ambiente (U.S. Depertment of Energy, Public Domain via Wikipedia)

“Rufus”, poi ribattezzato demon core (“nucleo del demonio”) era una sfera del diametro di 8,9 cm, costituita da una lega di plutonio e gallio e ricoperta da un rivestimento di circa 0,13 mm di nichel, per una massa totale di 6,2 kg. Questa doveva essere il nucleo fissile di una terza bomba da sganciare sul Giappone (probabilmente il 19 agosto 1945) nel caso esso non si fosse arreso, ed era molto simile a quella utilizzata nella bomba di Nagasaki.

Mark 3 Fat Man Nagasaki
La bomba di Nagasaki viene approntata sulla base aerea di Tinian, nelle Marianne, il 5 agosto 1945. Il modello Mark 3 “Fat Man” era il tipo di ordigno nucleare più diffuso negli arsenali americani alla fine degli anni Quaranta. La sua potenza era di 23 kiloton (Public Domain via WikiCommons).

Il plutonio, che è un metallo, veniva fabbricato dall’Hanford Site, nello stato di Washington, e poi portato a Los Alamos, dove veniva lavorato. Il reparto di metallurgia di Los Alamos ne derivava una lega di plutonio e gallio, usata nei nuclei delle bombe ad implosione (pits), che stabilizzava l’allotropo del plutonio conosciuto come “fase δ” (un “allotropo” è una forma nella quale può trovarsi un elemento semplice: per esempio, il carbonio ha come allotropi diamante, grafite, fullerene ed altri ancora). Questo allotropo permetteva di dare alla lega una forma sferica grazie alla tecnica dell’hot pressing, ossia solidificando una polvere di plutonio e gallio ad alta temperatura e pressione. Poiché si trovò che la lega era facile alla corrosione, si ricoprì il nucleo con un rivestimento di nichel.

Trinity Plutonium Core Case
I nuclei di plutonio del Progetto Manhattan venivano portati a mano dentro dei semplici cubi di magnesio. Qui Herbert Lehr sta portando il “core” di Trinity (Public Domain via WikiCommons).

Era formata da tre parti: due semisfere e un anello che serviva a contenere il flusso di neutroni all’interno della superficie di contatto tra le due semisfere, in modo da avere una detonazione più efficiente. Dato che questa è innescata dai neutroni che colpiscono gli atomi del materiale fissile, se questi invece di disperdersi vengono reinviati nel nucleo tramite appositi materiali “riflettori”, la massa necessaria per avere la criticità può essere inferiore. Quindi, una massa subcritica può essere resa critica riflettendo indietro i neutroni che emette nell’ambiente. In pratica, più i neutroni sono confinati nell’involucro che contiene il materiale fissile, più la bomba è efficiente e meno materiale fissile occorre per farla esplodere. Il nucleo era stato fabbricato a minus five cents, ossia solo del 5% inferiore alla massa critica, e perciò aveva un margine di sicurezza molto limitato in presenza di materiali che aumentassero il flusso di neutroni.

Harry Daghlian e Louis Slotin
I due sfortunati protagonisti della vicenda qui raccontata: Harry Daghlian (secondo da sinistra) e Louis Slotin (secondo da destra) durante la preparazione di “The Gadget”, la bomba del test “Trinity”, prima esplosione nucleare della storia il 16 luglio 1945. Chinato sulla bomba, Herbert Lehr (Los Alamos Archive, Public Domain via WikiCommons).

Per questo, dopo la resa del Giappone, “Rufus” fu utilizzato a Los Alamos per esperimenti sulla criticità, allo scopo di verificare la dose minima di neutroni riflessi necessaria a rendere “supercritica”, cioè esplosiva, la sua massa fissile. Nonostante l’estrema pericolosità nel maneggiare la sfera, a Los Alamos in quel periodo non esistevano dei veri protocolli di sicurezza, ed i metodi utilizzati erano a dir poco rozzi. Non aiutava certo, poi, una buona dose di incoscienza da parte degli scienziati che lavoravano a Los Alamos. Richard Feynman, anche lui coinvolto nel Progetto Manhattan, paragonava questi esperimenti a «solleticare la coda ad un drago che dorme».

Harry Daghlian

Daglian Experiment
Ricostruzione dell’esperimento che costò la vita a Daghlian. Si possono notare i mattoncini di carburo di tungsteno (Los Alamos National Laboratory, Public Domain via WikiCommons).

Il 21 agosto 1945 il fisico Harry Daghlian stava conducendo un esperimento sulla condizione di criticità del plutonio, utilizzando proprio il demon core che era a quella data l’unico nucleo di plutonio disponibile. L’unica altra persona ad assistere era il soldato Robert J. Hemmerly del SED (Special Engineer Detachment), con compiti di sorveglianza, seduto dietro una scrivania circa quattro metri lontano.

L’esperimento era semplice: si trattava di impilare attorno al nucleo di plutonio un muretto ad angolo di mattoncini in carburo di tungsteno da da 4,4 kg ciascuno. Il carburo di tungsteno rifletteva i neutroni, responsabili dell’innesco della reazione a catena (chain reaction), e perciò ogni mattone aumentava il numero di neutroni che incidevano sul demon core avvicinandolo sempre più alla condizione di criticità. A 236 kg di carburo di tungsteno Daghlian notò che il contatore geiger stava impazzendo: la criticità era molto vicina. Inavvertitamente però lasciò cadere il mattoncino che aveva in mano sul muretto, e il nucleo superò la soglia di criticità emettendo un potente fascio di neutroni.

Mano di Daghlian
La mano di Daghlian, ormai morente, ustionata dalle radiazioni (Public Domain via WikiCommons).

Nonostante avesse subito rovesciato il muretto di mattoncini per “spegnere” il nucleo, anzi proprio per averlo fatto, non avendo più alcuna protezione Daghlian ricevette una dose letale di radiazioni, tra cui raggi gamma e particelle beta (elettroni): morì il 15 settembre per avvelenamento acuto da radiazioni di tipo emopoietico (cioè con danni letali alla produzione dei globuli del sangue). Robert Hemmerly morì invece di leucemia mieloide acuta nel 1978, all’età di 62 anni. Si decise di rivedere le misure di sicurezza, e soprattutto fu deciso di utilizzare per gli esperimenti sulla criticità un macchinario a controllo remoto, progettato dal collega Raemer E. Schreiber, che venne battezzato Godiva device. Questo permetteva di manipolare nuclei vicini alla condizione di criticità da un quarto di miglio di distanza (poco più di 600 metri), controllandoli tramite apparecchi televisivi.

Louis Slotin

Louis Slotin e The Gadget
Ancora una foto di Slotin, a sinistra, ancora assieme al collega Herbert Lehr durante l’assemblaggio di “The Gadget” (Public Domain via WikiCommons).

In attesa che il Godiva device fosse pronto, gli esperimenti sulla criticità continuarono però in normali laboratori, e sempre con procedure a dir poco rozze, nonostante la morte di Daghlian. Il 21 maggio 1946 il fisico canadese Louis Slotin, che aveva assemblato la bomba the gadget del Trinity Test del 16 luglio 1945, la prima esplosione nucleare della storia, tentò un nuovo esperimento sulla criticità. Stavolta il demon core veniva portato vicino alla soglia critica non con mattoni di carburo di tungsteno, ma con un involucro di berillio diviso in due semisfere del diametro di 23 cm, che rifletteva i neutroni riportandoli verso il nucleo.

Ricostruzione dell’esperimento di Slotin. Si notano la semisfera di berillio e il cacciavite. Oggi una simile mancanza di sicurezza sarebbe impensabile (Los Alamos National Laboratory, Public Domain via WikiCommons).

Slotin, che era in procinto di lasciare Los Alamos, stava mostrando come svolgere queste prove al collega Alvin C. Graves, in previsione di un ulteriore esperimento simile prima dell’utilizzo di “Rufus” nel primo test nucleare americano del dopoguerra, il test Able della cosiddetta operazione Crossroads, circa un mese dopo (altre fonti dicono invece che quello doveva essere l’ultimo esperimento di criticità prima dell’invio del nucleo a Bikini). La criticità del nucleo veniva approssimata da Slotin reggendo la semisfera superiore con il pollice della mano sinistra, tenuto dentro un foro simile a quelli delle palle da bowling, e nel mentre tenendola più o meno alzata con un… cacciavite! I protocolli di sicurezza prevedevano invece l’uso di appositi distanziatori. Il fisico aveva ripetuto l’esperimento in quelle condizioni almeno una dozzina di volte, e alla presenza di diverse persone, una vera roulette russa. Slotin d’altra parte era piuttosto criticato per l’eccessiva confidenza che dimostrava nel manipolare sostanze radioattive: Enrico Fermi gli disse tempo prima che, se continuava così, sarebbe morto entro un anno…

Il film “Fat Man and Little Boy” inscena un esperimento fittizio, anticipato a prima di Trinity, che si riferisce sia all’incidente di Daghlian che a quello di Slotin, ma nonostante la poca fedeltà storica dà una buona idea delle scarse procedure di sicurezza implementate durante il Progetto Manhattan.

Il cacciavite sfuggì accidentalmente alla mano di Slotin e le due semisfere si chiusero intorno al nucleo. Istantaneamente, vi fu un flash di luce blu dovuto alla ionizzazione dell’aria circostante (non all’effetto Cerenkov, che emana una luce simile) e una vampata di calore investì il malcapitato scienziato. Il nucleo era diventato supercritico, rilasciando un massiccio burst di neutroni di circa mezzo secondo. Slotin non ebbe di meglio da fare che far cadere con la mano nuda la semisfera di berillio sul pavimento, fermando così la reazione a catena. Raccontò poi di aver sentito un sapore amaro in bocca e un forte bruciore alla mano sinistra. La vita di Slotin era finita: aveva ricevuto una dose spropositata di neutroni e raggi gamma.

Disegno incidente Slotin
Ricostruzione pittorica dell’incidente che costò la vita a Slotin, con le posizioni relative dei presenti. Quello subito dietro a Slotin è Graves (Public Domain via WikiCommons).

Slotin disse ai colleghi di non muoversi, prese dei gessetti e li diede loro perché segnassero la loro posizione all’interno della stanza con una X sul pavimento, allo scopo di poter poi determinare la dose di radiazioni assorbita da ciascuno. Questa scena è stata drammatizzata nel film del 1989 Fat Man and Little Boy, uscito in Italia con il roboante titolo di L’ombra di mille soli. Appena portato fuori dall’edificio Slotin iniziò a vomitare, segno inconfondibile di avvelenamento da radiazioni ionizzanti.

Morì il 30 maggio, dopo soli nove giorni, di avvelenamento acuto da radiazioni di tipo gastrointestinale. Graves, il più vicino a Slotin, si salvò dopo molte settimane di cure ospedaliere, grazie anche al fatto che il corpo dello sfortunato collega aveva fatto da schermo ai raggi gamma, ma rimase sempre con cronici problemi neurologici e alla vista, fino alla sua morte per infarto nel 1965. Non serve dire che ogni ulteriore esperimento sulla criticità venne proibito fino all’approntamento del Godiva device di Schreiber, anche lui presente all’incidente e salvatosi.

L’operazione Crossroads

L'esplosione del test Able dell'operazione Crossroads.
Able (Public Domain via WikiCommons).

Come detto, il demon core avrebbe dovuto essere utilizzato per Crossroads, ma dopo l’incidente di Slotin doveva passare del tempo prima che si raffreddasse, la sua radioattività diminuisse e venisse testata di nuovo la sua capacità di fissione. Fu deciso quindi di utilizzarlo non per il primo test, Able, ma per il terzo, Charlie. I due core fabbricati dopo “Rufus” furono destinati ai test Able, che sarebbe stata la quarta esplosione nucleare in atmosfera, e Baker, la prima esplosione sottomarina. Le bombe utilizzate erano delle Mk 3 Fat Man, da 23 kiloton, del tipo utilizzato a Nagasaki.

Molti pianificatori militari pensavano che le armi nucleari avevano reso obsolete le grandi flotte, tipo quella di Overlord o quella della battaglia di Leyte. In particolare l’Aviazione, che l’anno successivo sarebbe diventata un’arma indipendente, grazie alla nuova bomba vedeva aumentare a dismisura la sua importanza, secondo le famose teorie di Giulio Douhet sull’aviazione strategica. La Marina d’altro canto era speranzosa di dimostrare che le sue grandi navi avrebbero sopportato anche un’esplosione nucleare. C’era poi il risvolto politico, forse il più importante: c’era chi sosteneva che una pubblica dimostrazione della potenza della bomba avrebbe reso l’Unione Sovietica “più malleabile” in Europa (previsione che si rivelò del tutto errata), e chi invece affermava il contrario.

Hellcat Drones nell'Operation Crossroads
I “droni” Grumman F6F-5K Hellcat, con livrea rossa ad alta visibilità, utilizzati durante l’operazione “Crossroads” (US Navy, Public Domain via WikiCommons).

Crossroads aveva come scopo appunto quello di verificare l’efficacia di una bomba atomica contro una grande flotta. Vennero così radunate nell’atollo di Bikini, scelto appositamente per l’esperimento, ben 95 vecchie navi da guerra reduci della Seconda Guerra Mondiale: tra queste le corazzate Arkansas, Nevada e New York, la giapponese Nagato, la portaerei Independence, la vecchia gloriosa Saratoga (che avrebbe meritato una fine migliore), gli incrociatori Pensacola e Salt Lake City, e il tedesco Prinz Eugen. Per simulare gli effetti della detonazione sui marinai, furono utilizzate diverse centinaia di cavie animali: maiali, capre, porcellini d’india, ratti, topi e granaglie contenenti insetti. Un particolare interessante per gli appassionati di aviazione è che otto vecchi bombardieri B-17 furono equipaggiati con comandi radio a distanza e stipati di fotocamere, contatori geiger, prelevatori di campioni d’aria ed altri dispositivi, in modo da poter attraversare il punto dell’esplosione senza recare danno ad eventuali piloti (i sovietici non avevano simili riguardi). Furono utilizzati anche dei Grumman F6F-5K Hellcat.

Aerei di Hiroshima
Alcuni aerei del 509th Composite Group poche ore prima della loro missione su Hiroshima. Da sinistra a destra: “Dave’s Dream” (ancora con il suo vecchio nome “Big Stink”), “The Great Artiste” ed “Enola Gay” (foto di Harold Agnew, Public Domain via WikiCommons).

Il 1° luglio 1946 la bomba di Able, soprannominata Gilda in onore di Rita Hayworth, fu lanciata dal Boeing B-29 Superfortress Dave’s Dream del 509th Bombardment Group, il reparto di B-29 costituito appositamente per lanciare le bombe di Hiroshima e Nagasaki. Dave’s Dream, allora col suo vecchio nome di Big Stink, era stato uno dei B-29 che aveva accompagnato Bockscar su Nagasaki. La detonazione avvenne a 158 metri sopra la flotta, ma causò danni minori del previsto poiché mancò il bersaglio di 649 metri. Solo cinque navi infatti risultarono affondate, con grande soddifazione degli ammiragli. L’aviazione dal canto suo non fu affatto soddisfatta dall’accuratezza del lancio, cosa che venne imputata alla scarsa efficienza delle superfici aerodinamiche. La seguente bomba Mark 4, derivata dalla Fat Man, ebbe perciò timoni di direzione ridisegnati.

I famosi filmati del test Baker sono stati spesso usati al cinema per inscenare un’esplosione  atomica. Tra questi si può citare “Dr. Strangelove” di Stanley Kubrick.

Test Baker a colori
La poco nota versione a colori della celeberrima foto del test Baker visto da terra (Public Domain via WikiCommons).

Il 25 luglio 1946 fu la volta di Baker, la cui bomba Helen of Bikini esplose sott’acqua a 27 metri di profondità. Baker fu un disastro dal punto di vista ambientale: l’immensa colonna di acqua e vapore generata dall’esplosione creò una contaminazione radioattiva molto più alta del previsto, tanto che il terzo test Charlie, quello che avrebbe dovuto utilizzare “Rufus” e che era previsto per il 1947, fu cancellato. I militari sottovalutarono pesantemente il problema del fallout e l’U.S. Navy non riuscì a trovare un modo efficace di decontaminare le navi bersaglio dopo il test Baker, e si trovò di fronte al nuovo problema di come decontaminare le proprie navi in caso di guerra. Alla fine, solo nove navi poterono essere smantellate, le altre dovettero essere affondate. Charlie divenne in seguito l’operazione Wigwam, un’esplosione sottomarina effettuata nel 1955 al largo delle coste della California, ma senza il demon core.

Rita Hayworth Gilda
Rita Hayworth nel film “Gilda”, uscito proprio nel 1946. Un’atomica sicuramente molto più piacevole (Public Domain via WikiCommons).

Come l’anello del potere di Sauron, il demon core terminò la sua esistenza fuso in una fornace. Il suo plutonio fu riutilizzato per la fabbricazione di altri core di bombe atomiche.

P.S. Il soprannome “l’atomica” per Rita Hayworth e il nome “bikini” dell’universalmente noto costume da bagno femminile sono due eredità dell’operazione Crossroads.

Riferimenti

Questo post è largamente basato sulle molte pagine di en.Wikipedia dedicate al Progetto Manhattan, e i numerosi link relativi. La Wiki italiana è molto meno ricca e contiene delle inesattezze: in particolare, il demon core non fu usato per la detonazione Able dell’operazione Crossroads. Sono comunque state consultate ovviamente anche altre fonti:
McLaughlin et al, A Review of Criticality Accidents. 2000 Revision, Los Alamos National Laboratory (Report LA-13638), maggio 2000.
Alex Wellerstein, The Third Core’s Revenge, in Restricted Data. The Nuclear Secrecy Blog, 16 agosto 2013.
D.F. Hayes, A Summary of Accidents and Incidents Involving Radiation in Atomic Energy Activities. June 1945 thru December 1955, agosto 1956.
The Dragon Bites Twice: “Tickling the Tail of the Dragon”, Atomic Heritage Foundation, 4 giugno 2014.
Profiles – Harry Daghlian, Atomic Heritage Foundation.
Profiles – Louis Slotin, Atomic Heritage Foundation.
Raemer Schreiber’s Interview (1993), Voices of the Manhattan Project.
Alex Wallerstein, The Demon Core and the Strange Death of Louis Slotin, “The New Yorker”, 21 maggio 2016.
La morte nucleare di uno scienziato nucleare, sonosopravvissuto.blogspot.it.
Alex Wallerstein, The Blue Flash, in Restricted Data. The Nuclear Secrecy Blog, 23 maggio 2013.
The San Fernando Valley Goat Association’s “Memorial Service”, Cold War:L.A.