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Le centrali nucleari. L'energia che scaturisce dal bombardamento dell'uranio con neutroni. Il processo di 'fissione/fusione nucleare'. Il problema della radioattivitą e delle scorie.

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Coerenza e fusione fredda.. e.. - Vincenzo Valenzi -

La fusione fredda di cui ampie notizie sono venute in senso negativo dalla stampa, in questi ultimi anni e' considerata una conseguenza della esistenza di fenomeni di coerenza..

La importanza del fatto non può essere sottovalutata ora giacchè  la stessa fusione fredda è entrata nei programmi di ricerca nazionali ed internazionali non più semiclandestini ed ora anche prestigiosi giornali scientifici cominciano a far conoscere  alcuni risultati.

Nello scrivere un articolo sulla fusione fredda per gli studenti molti problemi si pongono:

  1. la materia è tra le più complesse dal punto di vista chimico fisico
  2. è vista come lontana dalla cultura e dalla pratica medica
  3. esistono poche esperienze importanti e ben variegate come per tutte le novità

Per tentare di risolvere queste difficoltà ho pensato utile ricorrere al contributo di personalità impegnate in questa nuova materia ai quali ho chiesto il loro punto di vista (in alcuni casi già brillantemente pubblicato e quindi citato come per il caso di Franco Scaramuzzi pioniere della Fusione Fredda in Italia).

La coerenza

In primis la Coerenza tema da cui sembra emergere la Fusione Fredda è che è stato al centro di un lungo e appassionato convegno all’Università "La Sapienza" di Roma il 12 e 13 febbraio 2004.

Abbiamo chiesto a Gianni Degli Antoni Ordinario di informatica all’Università di Milano quale è oggi il significato della Coerenza. Nel suo stile aforistico ci ha risposto:

"Coerenza? Chiacchiere?

Coerenza.. un termine usato  ed abusato .. in molti campi.. Nello studio del  comportamento.. nella cultura.. nella politica.. nella biologia.. nello studio dei materiali.. nel comportamento dei solidi.. nelle molecole.. nei nano materiali.. nello studio della fisica fondamentale nello studio dell' universo.. nell' arte.. nella teologia..

Una indagine puramente empirica non può trascurare un fenomeno emergente... proprio la comparsa di numerosi e distinti studi più o meno ben giustificati dello studio di una entità chiamata "coerenza".

Non pochi ne discutono il valore.. alcuni lo sostengono.

È un concetto provvisorio? Per distinguere solo gruppi di interesse? Per distinguere concetti realmente ben fondati? Esiste una solida teoria per la identità di quel concetto? Che rapporto ha la coerenza con tutti gli altri concetti? E che ne è della esistenza di strutture coerenti? La conoscenza sulle strutture coerenti precede o segue la attività di concettualizzazione di uno spaccato del reale attraverso teorie ed osservazioni?

E cosa può dirci la matematica su questo concetto? Cosa si può dire sulla nascita e sulla vita di strutture coerenti?

Ciascuna delle nozioni richiamate  ha certo un qualche esistenza.. nel mondo dalla realtà.. e delle osservazioni..e della teoria..

Istanze o fatti-specie distinte .. solo analogicamente riconducibili una all' altra o istanze  di una unica grandiosa teoria della coerenza.. nel senso che Giuliano Preparata si apprestava a realizzare?

 La risposta è difficile.. ma le domande sono lecite.. E' lecito accorgersi che i cristalli esistono e certo sono strutture fisiche coerenti.. Ma è anche lecito chiedersi.. Tutto li?  La risposta è nelle ormai numerose evidenze  di fenomeni che non potevano essere neppure  immaginati senza una epistemologia della coerenza che trascende ciò che si può trovare in superficie..

Così la enorme portata della evidenza della caratterizzazioni coerenti di certi materiali biologici in stati distinti (patologici e non..)  dovuta a Clarbruno Vedruccio spalanca la porta ad un nuovo modo di osservare la realtà.

In questo modo la coerenza non può che precedere  molte  formulazioni.. la stessa assiomatizzazione forse trova una nuova forma di espressione  con cui bisogna fare i conti.. Le strutture coerenti sono certo molte.. ma e' come trovare aghi sottili multidimensionali in un pagliaio.. La matematica ci aiuta descriverle ..quelle strutture .. dopo che le abbiamo trovate.. ma se non sappiamo che lo sono .. non possiamo trovarle.. sono troppo deboli le argomentazioni.. Ma ciò che e' ancora più interessante e' che..  se si capisce .. forse e' molto facile riconoscere le. Forse ci vuole quasi una fede.. Ma fede e' necessaria assai di più di quanto non si pensi.. La rigidità dei corpi .. sosteneva Giuliano Preparata non e' spiegabile se non in termini di coerenza. Da questo punto di vista la accettazione supina che i corpi siano rigidi e' corretta e sembra non richiedere spiegazioni.. E' come se accettassimo la superconduttività senza spiegazioni.. i due fenomeni sono assai più vicini di quanto si pensi..

 Dunque  senza un pò di fede neppure una sedia si può trovare.. e non si può trovare la sedia   su cui le nostre conoscenze si appoggiano..  Sedia che si costruisce  grazie alla infinita curiosità di Giuliano Preparata e di molti altri che.. anche  indipendentemente..  lavorano nella stessa direzione per la nascita un nuovo ago coerente: il pensiero sulla coerenza. nella teoria e nella pratica."

Attività in ambito industriale - un esempio italiano

Nonostante lo scetticismo predominante nella comunità scientifica, alcuni centri di ricerca indipendenti (soprattutto in Giappone e negli USA) ed un piccolo numero di aziende private continuano a svolgere un’attività di scouting e di presidio in questo settore.

È interessante a questo riguardo citare l’atteggiamento verso il problema della Fusione Fredda di una delle principali industrie italiane (Gruppo Pirelli), che presso il suo centro studi Pirelli Labs S.p.A. prosegue un piccolo progetto di investigazione e verifica su tali fenomenologie.

Come illustrato dal Direttore del Centro di Ricerca Avanzata (Ing. Flavio Fontana), in un recente convegno sulla Coerenza tenuto alla Università "La Sapienza" di Roma, presso il piano di lavoro di Pirelli è stato inizialmente orientato a replicare alcune prove condotte dal compianto Prof. G.Preparata e basate sulla tecnologia delle celle elettrolitiche.

Uno dei punti fondamentali per Pirelli Labs è l’esecuzione di prove calorimetriche mediante apparati di misura in grado di determinare la quantità di calore dissipata nella cella partendo da misure di temperatura e di flusso, che non richiedono la stima di coefficienti di scambio termico della cella, la cui valutazione è spesso fonte di incertezza.

Una campagna di circa un centinaio di prove, condotta negli anni ’97-’98, ha evidenziato un andamento altalenante ed erratico del processo; è stato tuttavia possibile identificare, nei casi in cui le celle hanno prodotto calore in eccesso, che la quantità di quest’ultimo è nettamente al di sopra delle incertezze sperimentali dell’apparato calorimetrico, ancorchè il "guadagno" energetico resti modesto in valore assoluto (5-12%). I grafici mostrano la determinazione di calore in eccesso in esperimenti condotti presso Pirelli Labs. La traccia più frastagliata è il calore generato nella cella, mentre quella più regolare è la potenza immessa. Mentre in una soluzione basata su acqua leggere e sali non deuterati il calore generato non supera mai la potenza applicata alla cella, in presenza di acqua pesante si hanno modesti eccessi di calore, soprattutto ad alta potenza.

                

La mancanza di ripetibilità è ovviamente un fattore molto negativo per un laboratorio industriale che, a differenza di un centro di ricerca di base, è necessariamente orientato a favorire linee di R&D suscettibili di rapido trasferimento alle applicazioni. Pirelli Labs ha quindi deciso di sospendere temporaneamente queste misure per cercare di comprendere se parametri fisici diversi dal calore potessero fornire indizi di " ad alto caricamento, il?una possibile transizione alla ormai famosa "fase cui instaurarsi sembra necessario per l’avvio del fenomeno di Fusione Fredda. Accurati studi dell’andamento della capacità termica e del coefficiente termico di resistività di fili di Pd caricati con deuterio hanno confermato una netta rottura nell’andamento di tali proprietà in corrispondenza dei valori di caricamento in cui la fase coerente comincerebbe ad esistere.

Altre prove, attualmente in fase di definizione, sfrutteranno le conoscenze ottenute da questi ultimi esperimenti per replicare in modo più accurato il test calorimetrico; verranno altresì eseguite verifiche per determinare la presenza di eventuali "ceneri" nucleari derivate dai processi atipici avvenuti nel Palladio.

Cosa cambia nella Fisica?

Per comprendere queste dinamiche Franco Scaramuzzi pioniere della Fusione Fredda in Italia ha scritto per la Rivista la Termotecnica un’ampia revisione che per la sua efficacia comunicativa in un campo così complesso ritengo opportuno citare estesamente.

"Per cominciare, che cosa è la fusione? In tema di energia nucleare, abbiamo più familiarità con la fissione, che consiste nella scissione di un nucleo pesante (ad esempio, l’uranio) con produzione di energia: i reattori nucleari, tanto impopolari dopo Chernobyl, ma ancora numerosi in tante nazioni, si basano su questo concetto. Ma la fisica nucleare insegna che, così come si ottiene energia spaccando un nucleo pesante, se ne ottiene anche unendo, cioè fondendo, due nuclei leggeri: di qui il termine fusione. I nuclei più studiati sono gli isotopi dell’idrogeno: quello di massa due, detto deuterio, e quello di massa tre, chiamato trizio. Il guaio della fusione è che, almeno per applicazioni pratiche, è ben più difficile da realizzare della fissione. Infatti finora l’uomo c’è riuscito soltanto in un’impresa di cui non può certo andare orgoglioso: la bomba H. Gli sforzi per ottenere con la fusione energia controllabile e quindi utilizzabile per fini pacifici sono tuttora in corso: essi sono giustificati anche dalla minor pericolosità degli eventuali futuri reattori e dalla illimitata disponibilità di combustibile. Queste ricerche rappresentano una grande speranza per l’umanità, ma la méta di un reattore "commerciale", che riesca cioè a competere con le altre fonti di energia, è ancora molto lontana.

Perché la fusione è difficile? Perché per ottenerla bisogna far in modo che due nuclei, ad esempio due deutoni (nome breve per nuclei di deuterio), si avvicinino moltissimo: quando questo succede, la forza ‘nucleare’, che è attrattiva, ha la meglio su quella elettromagnetica, che è repulsiva, avendo i due deutoni carica elettrica dello stesso segno. I due deutoni, sotto l’azione della forza nucleare, si fondono e formano un nucleo di 4He (elio di massa 4), che possiede una enorme energia (24 MeV) (vedi Formula La reazione di fusione tra due nuclei di deuterio. Il nucleo di 4He creato con la fusione subisce un’altra trasformazione: nella quasi totalità dei casi si spacca in due componenti, secondo due schemi diversi. In parentesi sono riportate le probabilità delle varie soluzioni).

Di solito, il nucleo di elio non sopravvive, proprio a causa della eccessiva energia, e si spacca prevalentemente in uno di due modi diversi: in un caso produce un neutrone (n), cioè una particella senza carica, e un nucleo di 3He (elio di massa 3), nell’altro un protone (p), cioè un nucleo di idrogeno, e un nucleo di trizio, (3H). Le due soluzioni hanno circa la stessa probabilità, e le particelle sunnominate portano con sé quell’energia che si vuole poi utilizzare in pratica.

Esiste anche un altro canale, riportato nell’ultima riga della formula. Il nucleo di He emette un raggio g da 24 MeV e resta immutato. Questo evento ha una probabilità molto bassa.

Come fare allora a far avvicinare i due deutoni? L’idea alla base della ricerca più diffusa nel mondo, la stessa che è alla base della bomba H, va sotto il nome di fusione termonucleare. Il concetto è semplice: se si riesce a dare ai deutoni tanta energia cinetica, occasionalmente essi si scontreranno frontalmente e quell’energia permetterà loro di superare la barriera repulsiva di cui sì è parlato prima, e quindi di fondere. Ma come si fa a dare tanta energia ai deutoni? La termodinamica insegna che la temperatura di un corpo è la misura dell’energia cinetica media delle molecole che lo costituiscono. Allora basta "scaldare" i deutoni: di qui il termine "termonucleare". Questo viene fatto in due modi diversi, che vanno sotto il nome di "Confinamento Magnetico" e "Confinamento Inerziale". Ma non entreremo nei dettagli: ricordiamo solo che la probabilità che la fusione avvenga è una funzione crescente della temperatura e che le temperature interessanti ai fini di applicazioni pratiche sono molto alte, dell’ordine di cento milioni di gradi. E’ opportuno precisare qui che nelle ricerche sulla fusione termonucleare, nonché nella bomba H, la reazione preferita è un'altra: quella tra un deutone e un tritone, cioè un nucleo di trizio. Negli esperimenti che descriveremo prevale invece la reazione tra due deutoni, come detto sopra. Per semplicità, continueremo a parlare di quest’ultima reazione, senza alcuna perdita di generalità.

Fusione Fredda

Questa esigenza di riscaldare i deutoni a temperature tanto alte ha fatto sì che si parlasse di FF quando due chimici, uno inglese e l’altro americano, i professori Martin Fleischmann e Stanley Pons (F&P), nel marzo 1989 dichiararono di essere riusciti a produrre la fusione di due deutoni in un semplice esperimento di laboratorio e a temperatura ambiente. I due ricercatori, che effettuarono i loro esperimenti all’Università dello Utah, a Salt Lake City, negli USA, usavano una tecnica molto diffusa, della quale entrambi erano molto esperti: l’elettrolisi. In particolare, nel loro esperimento l’elettrolisi era effettuata in una soluzione a base di acqua pesante, cioè acqua nella quale gli atomi di IDROGENO sono sostituiti da atomi di deuterio, e utilizzando un catodo di palladio (Pd). Nell’elettrolisi la MOLECOLA di acqua pesante, D2O, si scinde in due parti, D+, carica positivamente, e DO-, carica negativamente. Il campo elettrico applicato alla cella elettrolitica spinge il radicale DO- verso l’anodo e lo ione di deuterio D+ verso il catodo. Gli ioni D+ penetrano nel catodo di Pd e trovano una collocazione nel suo reticolo cristallino: sembra che l’elettrolisi sia il mezzo più efficace per ottenere elevate densità di questi "ospiti" del reticolo, raggiungendo, ed anche superando, il numero di atomi di Pd (tecnicamente si dice che il rapporto D/Pd raggiunge e supera il valore 1). Quello che F&P mettevano in evidenza nel loro esperimento era la produzione di calore, in misura tale da non poter essere giustificata da reazioni chimiche, e pertanto attribuita a una reazione nucleare: in particolare, si suggeriva la reazione tra due deutoni sopra accennata. Nell’esperimento non venivano emessi i neutroni previsti dal meccanismo sopra descritto (i neutroni sono, tra le 4 particelle terminali della formula, i più facili da rivelare, perché passano attraverso le pareti dei recipienti; essi sono pertanto l’elemento distintivo di una reazione tradizionale di fusione tra due deutoni)*.

Questo semplice esperimento scatenò inizialmente un grandissimo interesse, e spinse numerosi scienziati a ripeterlo. La maggior parte dei tentativi ebbero esito negativo, e in pochissimo tempo il mondo della scienza si divise in due campi contrapposti. Da un lato, coloro che non erano riusciti a ritrovare i risultati di F&P ne negavano la validità e contestavano le loro conclusioni, forti anche della apparente violazione di leggi ben note. Dall’altro, i pochi che avevano risultati positivi difendevano questa nuova linea di ricerca. Nel giro di pochi mesi la comunità scientifica ufficiale bocciò la FF, considerata scienza non vera. In questi 13 anni la situazione non è molto migliorata, nel senso che i sostenitori hanno continuato, ancorché con mezzi modesti, a portare avanti le loro ricerche, con innegabili progressi, e la comunità scientifica ha perseverato nel suo scetticismo. Mi sembra importante capire le ragioni di questa situazione. Ritengo che due elementi siano alla base del dissidio. Il primo è la scarsa riproducibilità degli esperimenti di FF. Il secondo è il presunto scostamento dalle leggi della fisica nucleare. Proviamo ad esaminarli.

Fisica Nucleare

Un collega e amico americano ha descritto in un brillante articolo, già citato prima, gli inizi della fusione fredda. Ad un certo punto, egli racconta di aver incontrato, subito dopo la conferenza stampa di F&P, un collega esperto di fisica nucleare e di avergli chiesto che cosa ne pensasse. La risposta lapidaria fu: "se fosse vero, sarebbero morti tutti e due". Un fisico nucleare non riusciva a concepire la reazione di fusione tra due deutoni senza l’emissione di neutroni indicata in Fig.1. Facendo un po’ di conti sulle quantità di calore prodotte, ne veniva un flusso di neutroni così intenso da essere letale. La mancata emissione di neutroni è una delle apparenti incongruenze dei risultati di F&P. Un’altra critica, sempre basata sulle conoscenze esistenti, venne da un tentativo di valutare la probabilità di un evento di fusione a temperatura ambiente, estrapolandolo dai dati a temperature assai elevate. Qualsiasi calcolo portava alla sostanziale impossibilità di realizzare una reazione di fusione. Queste considerazioni, sommate alla scarsa riproducibilità, hanno contribuito alla divisione nel mondo della scienza sul tema della FF.

Ma vediamo ora come vengono interpretati i risultati dal punto di vista dei sostenitori della FF. Si afferma che, poiché la reazione avviene all’interno del reticolo cristallino di un metallo, non ci si deve aspettare che le regole stabilite nel vuoto e per alte energie (tra cui quelle della formula precedente) debbano essere rispettate: si può immaginare che la presenza degli atomi di palladio, organizzati in un reticolo cristallino, riesca ad influenzare le modalità della reazione. In particolare, si può ipotizzare che si abbia un enorme aumento della probabilità di fusione, e che inoltre lo schema della formula non sia rispettato: le due reazioni che portano alle ben note 4 particelle diventano poco probabili, e il nucleo di 4He riesce a cedere la sua enorme energia al metallo sotto forma di calore, quel calore in eccesso che viene misurato. Se le cose stanno così, il nucleo di 4He, spogliato della sua energia, non ha più alcuna ragione di spaccarsi e conserva la sua identità: quindi, è corretto non avere emissione di neutroni.

La conseguenza immediata di questa ipotesi è che la "cenere nucleare" di questo processo sia proprio lo 4He, e che il suo ritrovamento sia una prova convincente della realtà della fusione tra due deutoni. Questo è stato uno dei più diffusi temi di ricerca sulla FF negli ultimi anni. La rivelazione di piccole quantità di 4He presenta molte difficoltà: il fatto che la massa dell’4He sia quasi uguale a quella del D2 impone l’uso di spettrometri di massa ad alta risoluzione; la presenza di 4He nell’atmosfera (all’incirca 5 parti per milione) giustifica sospetti di "INQUINAMENTO atmosferico" quando si ha a che fare con quantità molto piccole. Ciononostante, ci sono state numerose evidenze della presenza di 4He in concomitanza con la produzione di calore in eccesso. Un risultato ottenuto di recente dal Gruppo ENEA di Frascati merita di essere ricordato: in esso sono stati messi in evidenza nello stesso esperimento un elevato rapporto D/Pd (>1), la produzione di calore in eccesso e la produzione di 4He.

L’interpretazione citata sopra non riusciva a vincere lo scetticismo diffuso: si obiettava che non è pensabile che la struttura atomica possa influenzare una reazione nucleare, caratterizzata da tempi e spazi di gran lunga più piccoli. Ma già nel 1989 un gruppo, guidato da Giuliano Preparata, aveva proposto una teoria molto affascinante che superava questa obiezione: essa ipotizzava una interazione collettiva e coerente di tutti gli "attori" del fenomeno (ioni di Pd e di D, elettroni). In essa si prevedeva tra l’altro l’esistenza di una soglia per il rapporto D/Pd (>1), che doveva essere raggiunta perché si verificassero fenomeni di FF: questa condizione è stata poi dimostrata sperimentalmente in molte occasioni. L’idea base di Preparata è l’applicazione della elettrodinamica quantistica alla materia condensata: questo è stato il filo conduttore del libro da lui scritto, dal suggestivo titolo "QED Coherence in Matter", che tocca anche molti altri campi della fisica. Beninteso, sono state proposte numerose altre teorie per spiegare i fenomeni della FF. 

Trasmutazioni

Accanto agli esperimenti "alla F&P" , ne esistono di molti altri tipi. Ritengo che meritino di essere citati quelli che vanno sotto il nome di "trasmutazioni". Da parecchi anni vengono presentati esperimenti nei quali un confronto tra i nuclei presenti in un campione prima che interagisca con un isotopo dell’idrogeno e quelli che si trovano dopo l’interazione mostrerebbe un’evidenza di trasformazioni nucleari: ad esempio, l’apparizione di nuclei che prima erano assenti, oppure la modifica del rapporto isotopico di un tipo di nucleo. Nel passato c’è stato parecchio scetticismo su questi risultati, anche nel mondo della FF. Ma recentemente le evidenze sperimentali sono diventate sempre più convincenti. Qui di seguito riporterò un dato della ricerca di un gruppo giapponese, guidato dal Dr. Iwamura, descritta in un articolo apparso di recente, che ho apprezzato per la cura nello svolgimento delle misure e nella presentazione dei risultati. Citerò solo un tipo di esperimento, che ha anche la virtù di essere stato ripetuto più volte con lo stesso esito. In esso deuterio in forma gassosa attraversa un campione costituito da una successione di strati di CaO e Pd, a cui viene aggiunto un sottile strato di cesio. La composizione alla superficie di questo strato viene analizzata in funzione del tempo, durante l’ESPOSIZIONE al flusso di D2, mediante XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).

Nella figura sottostante viene riportato il risultato di questa analisi per due delle prove effettuate (altre 4 prove hanno dato risultati simili). Si può notare che il numero di nuclei di cesio (Cs) diminuisce nel tempo, mentre compaiono nuclei di praseodimio (Pr) prima inesistenti, che aumentano di numero nel tempo. Sono stati fatti convincenti controlli. In particolare, il fenomeno non si verifica:

  1. se sono assenti gli strati di CaO;
  2. se si usa H2 invece di D2.

Gli autori non danno interpretazioni, ma fanno notare che, nel passaggio da cesio a praseodimio c’è un aumento di un multiplo di 4 unità sia per la massa atomica (da 133 a 141), che per il numero atomico (da 55 a 59). Nello stesso articolo viene presentato un risultato simile per i nuclei di stronzio (Sr) e molibdeno (Mo).

Mi sembra che questi risultati debbano far pensare. In prima istanza, si è tentati di bollare esperimenti di questo tipo coll’etichetta dispregiativa di "alchimia". Resta però il fatto che, nell’esempio citato, si tratta di dati chiari e riproducibili. Sembra di poter concludere che la fusione tra due deutoni sia solo una delle tante possibili reazioni nucleari che vengono favorite dal fatto di aver luogo all’interno della materia condensata. Nell’ultima conferenza internazionale sulla fusione fredda (ICCF9), che si è tenuta a Pechino (Cina) lo scorso maggio, è stata proposta la realizzazione di una rivista scientifica internazionale dal titolo suggestivo: "Condensed Matter Nuclear Science". Non è detto che si riesca a farla decollare, ma il fatto è comunque indicativo di una interessante evoluzione di questa disciplina.

Conclusioni

Si possono trarre alcuni insegnamenti da quanto esposto. Per cominciare sembra innegabile l’esistenza di fenomeni nucleari all’interno della materia condensata. Il loro interesse scientifico è sicuramente grandissimo: sembra che si prospetti l’inizio di un nuovo capitolo della fisica. Ma non è escluso che queste ricerche possano avere ricadute applicative molto interessanti. In particolare, tornando alla fusione tra due deutoni, si tratta sicuramente della forma di energia nucleare più pulita che si sia mai prodotta: non ci sono nemmeno i neutroni della fusione termonucleare. Non è affatto detto che si riesca a realizzare una fonte di energia praticabile, ma non è nemmeno escluso. Nel momento attuale, con la consapevolezza dei danni crescenti dell’EFFETTO SERRA, è pensabile che il mondo scientifico abbia il dovere di investigare con impegno e senza pregiudizi tutte le strade che possano portare a una soluzione del problema energetico, e quindi anche quella della FF".