Introduzione alla Fusione Fredda

1. Introduzione alla Fusione Fredda Liceo “Edoardo Amaldi” 26 Febbraio 2005 William J M F Collis secretary@iscmns.org “Considerate la vostra semenza: Fatti non foste a viver come bruti, Ma per seguir virtute e conoscenza.” Dante, Inferno, XXVI 118-120

2. Scienza di FrontieraLe energie alternative: il caso della Fusione Fredda • Molto diverso dalla scienza che si studia a scuola normalmente! • Nessuna spiegazione generalmente accettata perche’ il fenomeno e’ nuovo. • Probabilita’ che alcuni risultati siano in errore perche’ e’ impossibile confrontarli con la teoria

3. Piano • Reazioni nucleari e fusione • Fusione termonucleare e stellare • Le spiegazioni della fusione fredda ----------- • Fusione Fredda in Liceo • Come si stima l’anomala produzione di calore • Risultati

4. Immaginate una sorgente di Energia … • Dove il carburante e’ abbondante come l’acqua del mare • Costa poco • Dura milioni di anni • Non inquina • Non contribuisce al riscaldamento globale • Un litro di acqua di mare equivale 300 litri di petrolio

5. Cosa e’ la “Fusione Fredda” • Un’anomalia in un materiale caricato con isotopi d’idrogeno (p, d, t). • L’anomala produzione di ceneri nucleari (esempio Elio, Argento, Praseodimio). • Effetti nucleari: Raggi X, Gamma, particelle energetiche, neutroni.

6. Isotopi • Il nucleo di un atomo consiste di protoni e neutroni. • Le proprieta’ di un elemento dipende sulla carica del nucleo, (protoni). • Il numero di neutroni nel nucleo determina l’isotopo.

7. Isotopi di Idrogeno • 1H (prozio) 99.975% • 2H (deuterio) 0.015% • 3H (trizio) radioattivo

8. Fusione Nucleare • Reazioni nucleari producono millioni divolte piu’ energia di una reazione chimica. • H + H -> H2 + 4.5 eV (reazione chimica) • 1H + 1H -> 2H + 1.44 MeV (fusione nucleare) • Tutte le forme di vita sulla terra dipendono da un reattore a fusione nucleare….

9. Il Sole!

10. Fusione nucleare nel Sole

11. Il Sole • Il sole e’ un esempio di un reattore nucleare pulito. • Tutti i prodotti nucleari principali sono stabile

12. L’uomo vorrebbe controllare i proccessi energetici del sole!

13. Fusione Termonucleare

14. Compito • Qual’e’ la reazione nucleare piu’ veloce nel sole? • Se il deuterio e’ un carburante nucleare, e’ ragionevole pensare di rilevarlo nel sole (per esempio dal vento solare)?

15. 2H + 3H  4He + n + 17.6 MeV Questa reazione di fusione e’ relativamente probabile. Ma il trizio e’ radio-attivo e deve essere fabbricato in reattori a fissione nucleare. Fusione Nucleare

16. Fusione Termonucleare • I nuclei non vogliono fondersi perche’ sono caricati e si respingono • Nonostante 50 anni di ricerca e decine di miliardi di $ spesi • L’unico “successo” e’ stato ….

18. Perche’ la fusione calda e’ cosi’ difficile? • Ci vogliono alte energie (temperature). • Tutti i contenitori vaporizzerebbero se toccano il plasma caldo. • Grandi perdite di energia attraverso la radiazione (Legge di Stefan P~T4) • Trizio (un carburante e’ radioattivo) • I neutroni prodotti sono radioattivi

19. Un approccio nuovo • Invece di sprecare il calore creando un plasma, si pensa di usare le forze della chimica in un tentativo di fare avvicinare i nuclei di idrogeno. • Gia’ la molecola di H2attira 2 protoni con un’energia di 20 eV equivalente ad una temperatura di ~220000 OC ! • Ma non e’ ancora sufficiente….

20. Alta Densita’ • Invece di usare una plasma caldissima che implica anche bassissima densita’ perche non cercare un ambiente chimica appropriata?

21. Idrogeno nei metalli • Molti metalli possono assorbire idrogeno • In alcuni casi (es. ThH4) la densita’ di idrogeno supera quella dell’idrogeno liquido per un fattore di 2! • In palladio, l’idrogeno non e’ legato in modo rigido, ma e’ molto mobile.

22. Idrogeno nel Palladio • Negli anni ottanta, alcuni gruppi indipendenti sperimentarono il sistema D/Pd. • Jones et al. rilevarono la produzione di neutroni • Fleischmann & Pons osservarono una produzione anomala di calore.

23. 23 Marzo 1989 • Conferenza Stampa a Salt Lake City • Reazione iniziale di euforia. • Quando gruppi diversi non riuscirono a replicare i risultati, si diffuse delusione, rabbia e rifiuto.

24. Perche’ questo rifiuto? • Si puo’ dimostrare teoricamente che l’idrogeno, neanche nei metalli, si avvicina abbastanza per fondersi. • Se la Fusione Fredda fosse accettata, le carriere di tutti i fisici impiegati nei programmi di fusione termo-nucleare sarebbero a rischio. • Difficolta’ iniziale nella replicazione.

25. Errore di Logica • Il fatto che un cuoco non riesce a fare la maionese, non dimostra che la maionese non esiste! • Se un esperimento produce un risultato inaspettato, bisogna verificare la natura dell’anomalia oppure dimostrare dov’e’ l’errore. • Teorie non possono invalidare gli esperimenti.

26. Tentando di capire le reazioni • La procedura scientifica • Creare un modelo del sistema • Il modelo potrebbe essere teorico o sperimentale • Confrontare “fusione fredda” con il modelo.

27. Cosa dovremmo spiegare? • Quali sono le reazioni? • Caburanti? • Prodotti? • Come potremmo migliorarlo?

28. Modello 1.Ioni di idrogeno in vacuo. • Per fondere nuclei bastono pochi centinaia di eV. (milioni di gradi). • Probabilita’ di fusione e bassa, ma ci sono tanti collisioni in un plasma. • Impossibile misurare la sezione d’urto.

29. Previsione del modello 1(In vacuo) • 2H + 2H -> 3H + 1H + 4 MeV ~50 % • 2H + 2H -> 3He +1n + 3.3 MeV ~50 % • 2H + 2H -> 4He + 23.8 MeV ~10-5 % • La radiazione sarebbe letale!!!

30. Modello 1. Idrogeno ligero • 2H + 2H -> 4He + 23.8 MeV ~10-5 • 2H + 1H -> 3He + 5.5 MeV ~107 • Previsione: 1012 piu’ 3He che 4He !!! • Non verificato sperimentalmente!!

31. Modello 2. Mini-atoms [Mills] • Secondo questa ipotesi, si suppone un avvicinamento degli elettroni al nucleo di idrogeno liberando cosi’ dell’energia. • Obiezioni: • Non spiega prodotti nucleari • Prevede fusione (tipo in vacuo)

32. Modello 3.Particelle neutrali • Per superare la barriera di Coulomb si puo’ ipotetizare la partecipazione di particelle non caricate. • Neutroni [Hagelstein, Kozima] • Neutrini [Dufour] • Poly-neutroni [Fisher]

33. 4. QED Modelli • In questi modelli si suppone che i nuclei di idrogeno sono delocalizati. • Perche’ i deuteroni non sono limitati nello spazio, possono anche fondersi senza problemi della barriera di Coulomb.

34. Osservazioni chiavi • Perche’ deuteroni che si fondono non hanno una posizione determinabile anche la posizione della fusione stessa e’ determinabile. Succede un po’ ovunque e l’energia e’ divisa ovunque nel reticolo. • Di conseguenza, non possono esserci radiazioni gamma.

35. Obiezioni al modello • Non spiega perche’ la reazione 2H + 1H -> 3He + 5.5 MeV non va! • Non spiega trasmutazioni

36. Cs D Pd Pd CaO Esperimento di Iwamura

38. Come si spiega? • 133Cs + 4 x 2H = 141Pr + 50.5 MeV ?? • 133Sr + 4 x 2H = 96Mo + 50.5 MeV ?? • 137Ba + 6 x 2H = 149Sm + 68.2 MeV ?? • 138Ba + 6 x 2H = 150Sm + 67.6 MeV ?? • Forse in una super-nova!

39. Modello 5: Errori! • Si suppone che le osservazioni sono errori sperimentali magari selezionati da ricercatori troppo entusiasti! • Ma com’e’ possibile che tanti ricercatori, con setup diversi, riescono sbagliare sempre nella stessa maniera?

40. 1. Tanta confusione: Perche’? • Il metodo scientifico e’ liberale • La scienza procede a tentoni • E’ importante considerare tutte le possibilita’ • Raffinare le ipotesi piu’ promettenti ….pero’

41. Confusione perche’? • L’approcio scientifico e’ anche molto conservativo. • Prima di accettare una rivoluzione bisogna eliminare tutte le alternative. • Sia i critici sia i proponenti hanno difficolta’ fare questo salto mentale.

42. Domande?

43. Fusione Fredda a Scuola! • Dimostrazioni della produzione anomala di calore in una semplice cella elettrolitica. • Questa dimostrazione e’ stata gia’ fatta nei laboratori della Portland State University in Oregon, USA, dal Prof. John Dash e da studenti liceali.

47. Cella Elettrolitica del Prof. Dash

48. Il circuito. 2 celle in serie.(la stessa corrente)

49. Materiali e strumenti • Deuterio, acqua deionizzata, acido solforico puro al 99.9%; • Elettrodi di platino e palladio laminati; • Catalizzatore:cilindretti di 0,5% Pt in Al2O3 oppure Pd su carbonio; • Elettrolita cella di controllo: H2SO4 + H2O in rapporto 1:12,3; • Elettrolita cella sperimentale:H2SO4+D2O in rapporto 1:6,7

50. Celle elettrolitiche con coperchio a tenuta; • Camera per il catalizzatore in teflon; • Sensori termici; • Interfaccia per raccolta e rilevazione dati collegata a Pc; • Bilancia con precisione 0,1g; • Alimentatore CC; • Multimetri e cavi di collegamento.