Fusione Fredda anno '00

(Scritto da G. Carlini)

A 11 anni di distanza dall'annuncio siamo ancora al punto di partenza ?

Era il 23 Marzo 1989 quando due elettrochimici dell'università dello UTAH, Martin Fleischmann e Stanley Pons, attraverso una conferenza stampa annunciarono la scoperta della fusione "fredda".
Chiunque può immaginare quale scalpore suscitò tale avvenimento 11 anni orsono.
Con questo mio 'articolo' non intendo certo intraprendere discorsi sui risvolti sociali della vicenda ne tantomeno commentarla, mi limiterò semplicemente ad esporre (il più chiaramente possibile!) il fenomeno dal punto di vista scientifico per come ho potuto apprenderlo nelle mia ricerca bibliografica.

Prima di tutto, però, credo sia meglio spiegare brevemente cosa sia la fusione nucleare: dal latino fusio-onis, la fusone nucleare è la reazione per cui due nuclei leggeri, spesso Idrogeno o suoi isotopi, entrano in collisione fondendosi in un unico nucleo più pesante.

Tale reazione avviene con grande sviluppo di energia. È un po quello che accade sul Sole, quando due nuclei di Idrogeno si avvicinano tra loro; grazie ad una serie di reazioni nucleari, si ha la formazione di un nucleo di Elio-4 e la contemporanea liberazione di una grande quantità di energia. Nel Sole è la fortissima attrazione gravitazionale a comprimere i nuclei ad alta densità. Inoltre, a causa delle temperature estremamente elevate (circa 10 milioni di °C), i nuclei, acquisiscono una energia sufficiente per poter vincere la cosiddetta barriera Coulombiana, ossia la reciproca repulsione elettrostatica e si avvicinano abbastanza da subire la fusione.

Condizioni di questo tipo non sono facilmente riproducibili sulla terra. Anche se per produrre energia non ci occorre emulare, in tutto e per tutto, le reazioni che avvengono nel Sole. A noi "bastano" quelle reazioni che utilizzano una miscela di Deuterio (D o Idrogeno-2) e Trizio (T o Idrogeno-3). Ma l'energia necessaria ad avvicinare due nuclei di queste sostanze equivale, se tradotta in termini di temperatura, a molti milioni di gradi centigradi. Per questo motivo, tale tipo di fusione nucleare è detta Termonucleare o "calda"; in contrapposizione a quella non termonucleare o "fredda", così detta perché condotta a temperatura ambiente e a pressione atmosferica. Anche in questo tipo di fusione è necessario avvicinare i nuclei di Deuterio e Trizio a distanze tali da poter permettere le reazioni di fusione, che però vengono accelerate dai cosiddetti catalizzatori ; molto usati nell'industria chimica; essi producono nella reazione chimica un'accelerazione della stessa, senza peraltro alterarne le condizioni del suo equilibrio termodinamico.

A seconda del processo di catalisi che viene utilizzato, si parla di fusione fredda prodotta mediante CONFINAMENTO MUONICO o CHIMICO.
Mi soffermerò ora più attentamente su questi due tipi di confinamento e ancor più su quello chimico che ha delle notevoli similitudini con quello proposto da Fleischmann e Pons.

Il CONFINAMENTO MUONICO:

il muone è una particella che ha una massa circa 200 volte quella dell'elettrone ed ha una vita media di 2,2 milionesimi di secondo. Dato che nel disintegrarsi, il 99,5% della massa del muone si trasforma in energia, si è pensato di utilizzarlo come catalizzatore nelle reazioni nucleari. In effetti, il muone riesce a far avvicinare i nuclei di Deuterio e Trizio a temperatura ambiente e pressione atmosferica, tuttavia la possibilità che tale processo possa avere delle applicazioni nell'ambito della produzione energetica su scala industriale è legata al fatto che tale particella, prima di "morire", possa catalizzare almeno un migliaio di reazioni. Questo perché altrimenti non sarebbe sufficientemente produttivo il bilancio energetico (cioè l'energia fornita al sistema sarebbe superiore a quella prodotta dallo stesso).

Tornando in dietro, la prima verifica sperimentale di questo fenomeno fu fatta nel 1957 da L. Alvarez a Berkeley, ma più approfonditi calcoli dimostrarono che la quantità di energia prodotta era molto ridotta, dato che il muone riusciva a catalizzare una sola reazione prima di disintegrarsi. Ad oggi, le ricerche, più che altro sistematiche, su miscele di Deuterio-Trizio nell'intervallo di temperature che va da -260°C a 530°C, ha portato al risultato di non più di duecento fusioni per ogni muone. Un valore ancora troppo basso visto che duecentocinquanta reazioni per muone rappresentano il limite minimo per compensare l'energia fornita al reattore muonico dall'esterno con quella liberata dalla reazione stessa.

Anche se in un futuro prossimo non fosse ancora possibile raggiungere le mille reazioni per muone, sarebbe comunque realizzabile un ibrido di reattori in cui la fusione catalizzata da muoni sia seguita da reazioni di fissione nucleare. In tal caso, la prima fornirebbe i neutroni necessari per la seconda.

Il CONFINAMENTO CHIMICO:

la fusione fredda basata su tale tipo di confinamento, è caratterizzata dalla proprietà che ha il Palladio (oro bianco) di impregnarsi di Idrogeno e dei suoi isotopi.

L'interazione tra Palladio e Idrogeno, è stato e lo è tuttora, oggetto di numerosi studi.

Proprio in questo panorama si inserisce la reazione di fusione prospettata da Fleischmann e Pons e dunque la loro cella elettrolitica, utilizzata negli esperimenti di fusione fredda.

L'apparato dei due ricercatori era costituito da una soluzione liquida a base di Deuterio in cui sono immersi due elettrodi (anodo e catodo), uno costituito da Palladio e l'altro da Platino. Fornendo dall'esterno energia alla cella elettrolitica, perché è di questo che si tratta, collegando i due elettrodi ad una batteria, si ha il passaggio di una corrente da un elettrodo all'altro attraverso la soluzione elettrolitica che, sensibilizzata dal passaggio di corrente, da origine a diversi prodotti da "elettrolisi": Elio, Trizio, neutroni, raggi Gamma e raggi X. Inoltre si registra una quantità di calore prodotto che, tradotto in termini energetici, risulta essere maggiore di quella immessa nella cella attraverso la batteria.

Secondo Fleischmann e Pons ciò è dovuto alle particolari proprietà del Palladio che, fungendo da catalizzaore, costringe i nuclei degli atomi di Deuterio a stare tanto vicini da fondersi.

Infatti, i due ipotizzarono che l'eccesso di calore prodotto, non era attribuibile ad una reazione chimica nota, ma ad una reazione nucleare e poiché la soluzione elettrolitica conteneva Deuterio, considerarono plausibile la fusione di due nuclei dello stesso.

I risultati principali dei loro esperimenti furono che le celle elettrolitiche avevano prodotto una potenza di 4 Watt contro 1 Watt fornito, con un rendimento quindi del 400% e che i neutroni sono stati prodotti con un ritmo di circa 40.000 al secondo; (per i detrattori della fusione fredda, per poter parlare di vera e propria fusione, i neutroni prodotti per secondo dovrebbero essere almeno mezzo miliardo).

In seguito altri, ripetendo gli esperimenti dei due elettrochimici, giunsero a risultati simili, dove la rilevazione dei neutroni prodotti era affidata a due metodi diversi: la via elettrolitica o "umida" (adottata da Fleischmann e Pons) e la via del "caricamento gassoso" o "secca" (avviata nei laboratori dell'ENEA di Frascati) in cui si propone di caricare il Deuterio sotto forma di gas nel Palladio. Si notò però ben presto che la via elettrolitica rispetto a quella secca aveva il vantaggio di una maggiore facilità nel caricamento del Deuterio nel Palladio, dovuta al fatto che il meccanismo dell'elettrolisi alla superficie degli elettrodi, responsabile della penetrazione dei nuclei di Deuterio all'interno del reticolo cristallino del Palladio, equivale ad una pressione di molte migliaia di atmosfere, cosa difficilmente raggiungibile con il caricamento gassoso.

Va però detto che gran parte della comunità scientifica internazionale accolse con molte polemiche i risultati sperimentali e tuttora permangono scetticismo e sfiducia.

I maggiori dubbi avanzati dalla comunità scientifica, sono legati alla reazione di fusione tra i due nuclei di Deuterio. Infatti, in esperimenti condotti in condizioni di quasi-vuoto (cioè non in presenza di materia condensata come per il Palladio), si verificò che nella reazione tra due nuclei di Deuterio, nel 50% dei casi si hanno come prodotti: Neutrone + Elio-3; nell'altro 50% si hanno: Protone + Trizio; in fine, con una bassissima probabilità (una su un milione), si hanno: Elio-4 + raggi Gamma + calore. Invece, in molti esperimenti sulla fusione fredda è stata rilevata una debolissima traccia di Neutroni e di Trizio, mentre risulta essere di gran lunga la reazione dominante quella in cui si ha la produzione di Elio-4.

In altre parole i "fusionisti caldi" sostengono che nella fusione fredda si producono un numero di particelle nucleari troppo basso per poter giustificare il calore prodotto. Mentre , per i "fusionisti freddi" la sola presenza di calore basta ad ipotizzare una reazione nucleare (dato che l'energia da questa prodotta segue la formula di Einstein).

Un ulteriore motivo di polemica, scaturisce dal fatto che la produzione di Elio-4 non è accompagnata dall'emissione di raggi Gamma, cosa che invece avviene nella fusione "calda".

A tutt'oggi il problema più immediato della fusione "fredda" resta quello della riproducibilità, non solo per un fatto di applicazione delle eventuali potenzialità tecnologiche, ma ancor più per un migliore studio del fenomeno.

Ma se da un punto di vista sperimentale, la questione sembra giunta ad un livello conclusivo, con la constatazione in diversi esperimenti di un eccesso di calore, da un punto di vista teorico sono numerose le controversie sulla natura e sui meccanismi degli effetti della fusione "fredda".

Una delle teorie più solide fu enunciata da un docente di Fisica Nucleare dell'Università di Milano, Giuliano Preparata, che elaborò la sua "teoria coerente sulla fusione fredda". Tale teoria si basa sull'elettrodinamica quantistica (QED) nella materia condensata, secondo i libri di testo la materia consiste in un insieme numerosissimo di sistemi elementari (come atomi, molecole, ecc.) tenuti insieme da forze elettrostatiche, come la forza di Coulomb, caratterizzate da un cortissimo raggio d'azione; le forze elettrodinamiche, invece, hanno la caratteristica di esercitarsi a grandi distanze e pur essendo deboli fra due corpi, suppliscono a tale limitazione con enormi fattori di amplificazione dovuti alla loro natura cooperativa (o coerente).

Preparata con la sua teoria accostò tali forze all'analisi teorica della materia riuscendo a giustificare i meccanismi dei risultati sperimentali di Fleischmann e Pons.

Comunque per poter fugare qualsiasi dubbio si attende la presentazione di un dispositivo in grado di fornire una potenza adeguata almeno ad un uso domestico e benché ciò sia stato più volte annunciato ancora non c'è nulla di certo.

È ovvio che se in futuro ci fosse la possibilità di utilizzare apparati del genere potremmo forse mettere da parte i combustibili fossili, dismettere le ricerche sulle fonti di energia rinnovabili e magari disporre di più fondi per cercare di salvare questo pianeta anziché soffocarlo lentamente.