LA FUSIONE NUCLEARE

Viviamo in tempi in cui la domanda di energia aumenta sempre di più e sempre più aumenterà. Le ragioni di questa necessità sono molteplici, vanno dallo sviluppo di paesi una volta poveri alle necessità dei paesi ricchi che trovano in questo sviluppo una nuova concorrenza, ai cambiamenti climatici (che sono sempre avvenuti in tutte le epoche, non mi si fraintenda o mi si equipari e confonda con Greta); ma produrre energia costa, soprattutto in termini di inquinamento. La natura pone dei precisi e inviolabili paletti, ci dice per esempio che l’inquinamento è funzione del rendimento, maggiore è il rendimento minore è l’inquinamento, minore è il rendimento tanto maggiore è l’inquinamento. La fusione nucleare sarebbe la soluzione ideale, è il metodo che usano le stelle, energia praticamente inesauribile e, per i canoni che limitano le esistenze nostre, è possibile considerarla energia rinnovabile dato che si autoalimenta raggiungendo rendimenti del 900%!

Ma vediamo come funziona. Innanzi tutto col termine “fusione” non si indica una fusione dell’atomo intesa come scioglimento delle parti che lo compongono, questo non potrà mai avvenire perché l’atomo non è fatto, come in genere lo si rappresenta, con delle palline che formano un nucleo e altre palline che vi orbitano attorno:

Questa rappresentazione convenzionale è assai comoda ma fuorviante, suggerisce che le particelle che compongono l’atomo siano fatte di materia, che siano solide; ma se così fosse di che materiale dovrebbero essere fatte queste particelle? Sono metalliche? Sono di carbonio? Di salsiccia? Nulla di tutto questo, in realtà l’atomo è molto diverso e il modello che più si avvicina alla realtà è il modello a orbitali:

Il modello a orbitali è molto complesso, ma possiamo considerare gli orbitali come dei palloncini di energia in cui in alcuni punti ci sono maggiori concentrazioni di energia a cui diamo il nome di elettroni, quindi non palline fatte di qualcosa ma energia concentrata, per questo l’atomo non può fondere nel senso di squagliarsi ma si può fondere nel senso di compenetrarsi con altri atomi, come due cuori che si fondono

Nelle stelle, che hanno una grande massa, si genera un’enorme una enorme gravità che attira gli atomi verso il centro comprimendoli ad una pressione spaventosa che genera temperature altrettanto spaventose, di milioni di gradi; ora noi sappiamo che più un atomo è caldo e più vibra, si muove sempre  più vorticosamente, così gli atomi portati da queste enormi pressioni a temperature cosi estreme riescono, con la forza del movimento, ad acquisire abbastanza energia cinetica da vincere la forza di Coulomb, cioè quella forza che tende a respingere le cariche dello stesso segno e attrarre quelle di segno opposto, che normalmente li terrebbe separati, in  questo modo i nuclei riescono a fondresi, a unire i loro nuclei. Nel sole gli atomi di idrogeno si fondono tra loro formando atomi di elio. A causa delle forze coulombiane la fusione termonucleare può avvenire solo con atomi piccoli, con pochi protoni e pochi neutroni in modo che le forze di repulsione siano limitate, l’atomo più grosso che può partecipare (meglio che rende energeticamente conveniente la fusione termonucleare) è l’atomo di ferro 56. Vediamo più in dettaglio come questo avviene:

Due protoni si uniscono da questa unione nasce un nucleo di 2He (elio due) formato da due protoni e un neutrone; questo nuovo nucleo di elio, estremamente instabile, si trasforma in un nucleo di deuterio (2H) e facendo questo libera un positrone e un neutrino, ma questo nucleo di deuterio si trova in mezzo ad un’infinità di protoni vaganti e appena viene colpito da un altro protone forma un nucleo di elio 3 rilasciando un fotone di energia. L’3He è estremamente stabile e rimane “vivo” in questa fornace fino a quando non incontra un altro nucleo di 3He con cui si fonde formando un nucleo di 4He (elio 4), da questa nuova fusione si liberano un fotone di energia gamma e due protoni, a questo punto il processo si interrompe. Ma perché la fusione non progredisce trasformando gli atomi di elio in atomi di carbonio e poi via via fino al fe56? Perché, come già detto, più è grosso l’atomo più devono essere alte le temperature per far accumulare agli atomi sufficiente energia cinetica a vincere le forze coulombiane e il nostro sole non ha pressioni e temperature abbastanza elevate da poter proseguire il ciclo, ma esistono stelle più grandi del sole le cui pressioni possono proseguire oltre l’elio.

Se si potesse riprodurre la fusione termonucleare per generare energia sarebbe come vincere tutti i primi premi di tutti i concorsi del pianeta: risolveremo il problema dell’approvvigionamento energetico per tutta la durata del genere umano e anche oltre, solo che abbiamo qualche problemino nel realizzare una centrale termonucleare; Ricordate l’atomo come un sistema a orbitali? Ebbene quella sorta di oggetto fatto di airbag scoppiati che impediscono agli atomi di fondersi perché sono molto efficienti nel respingersi l’un con l’altro, come tanti Pon Pon

capite bene dunque quanto questa forza di repulsione sia forte: come facciamo a portare gli atomi di idrogeno a temperature di milioni di gradi per dargli modo di vincere queste forze? E se in qualche modo riuscissimo a generare queste elevatissime temperature, l’energia necessaria per ottenere queste temperature renderebbe ancora conveniente la produzione di energia tramite la fusione termonucleare?

Il progetto ITER

International Thermonuclear Experimental Reactor, è un reattore a fusione sperimentale in cui mezzo mondo ci mette denari e risorse per riuscire a realizzare la fusione termonucleare controllata (quella non controllata ce l’abbiamo già, si chiama bomba H), il reattore sarà di tipo Q5: Q1 vuol dire che il reattore genera una energia sufficiente solo a mantenere viva la fusione, quindi del tutto inutile, Q5 significa che genera una energia 5 volte superiore a quella necessaria per la fusione rendendo conveniente la generazione di energia. Forse. In realtà ITER è solo un esperimento pilota per capire se è possibile riuscire a realizzare una reazione termonucleare controllata.

Il principale problema è il contenimento del plasma (gas ionizzato) alle spaventose temperature necessarie per innescare e mantenere la fusione. Non avendo a disposizione nessun materiale che non si vaporizzi all’istante al contatto col plasma, pensiamo di aver risolto questo problema col Tokamak, un toroide, una specie di ciambellone che genera un campo di contenimento magnetico in grado di isolare il plasma.

Sperem! Risolto il problema di dove tenere il plasma bisogna … fare il plasma. A ciarle non è difficile, vorremmo realizzare una fusione più semplice di quella che avviene nel sole, la fusione deuterio-trizio. Due paroline sull’idrogeno: è l’atomo più semplice, ha solo un elettrone e un protone e ha due isotopi, cioè atomi uguali ma con un diverso numero di neutroni; gli isotopi dell’idrogeno sono il deuterio, che ha un neutrone, e il trizio che ha due neutroni.

Il deuterio e il trizio si fondono e da questa fusione nasce un nucleo di elio 4 con annessi 3,5 MeV di energia e un protone con annessi 14 MeV. C’è solo un piccolo problemino: il trizio è radioattivo, per cui chi pensava di ottenere con la fusione energia pulita ritorni coi piedi per terra: le centrali termonucleari dovranno essere alimentate con gas radioattivi e rilasceranno scarti radioattivi! Ma i green sono già sul piede di guerra: nonostante ci vorranno ancora decine di anni prima di avere una vera e propria centrale termonucleare eccoli già all’opera!

Fortunatamente per i No Nukes, ma soprattutto fortunatamente per noi tutti, potrebbe esserci un’altra strada, la fusione fredda! Tutto comincia il 26 marzo 1989 quando Martin Fleischmann e Stanley Pons se ne escono con un articolo sul Journal of Electroanalytical Chemistry in cui sostenevano di aver realizzato la fusione fredda, cioè erano riusciti a fondere nuclei di idrogeno in una pila elettrochimica!  Una rivoluzione data l’enorme difficoltà a realizzare la fusione calda! Caspita, avere a disposizione l’energia della fusione nucleare senza dovere realizzare un marchingegno in grado di accendere del plasma, mantenerlo acceso a milioni di gradi e ciucciargli l’energia che produce per alimentare le nostre cazz… necessità energetiche sarebbe stata la rivoluzione di tutti i tempi!

Ma sembrava che solo Fleischmann e Pons fossero riusciti ad osservare un aumento di energia nella pila elettrolitica; molti altri laboratori provarono a ripetere l’esperimento ma la maggior parte non riuscì ad ottenere gli stessi risultati e i pochi che ci riusciremo vennero accusati di grossolane manchevolezze nella conduzione degli esperimenti o di averne falsato i risultati addirittura. Ma cosa avevamo visto, o hanno creduto di vedere, Fleischmann e Pons? In una normale pila si verifica una reazione chimica che produce energia elettrica, la pila elettrolitica funziona al contrario, bisogna fornirgli energia elettrica per far avvenire una reazione chimica.

Fleischmann e Pons fecero passare corrente elettrica nell’acqua pesante (deuterio + ossigeno) contenuto in una pila elettrolitica utilizzando elettrodi di palladio e la reazione che avvenne non era quella che si sarebbero aspettati, ma osservarono una produzione di elio, che non avrebbe dovuto esserci, un aumento di temperatura che non avrebbe dovuto esserci, un eccesso di energia che non avrebbe dovuto esserci, dei neutroni e dei fotoni gamma che non avrebbero dovuto esserci; conclusero quindi di essere in presenza di una fusione nucleare e pubblicarono l’articolo sul JEC. Tuttavia quell’articolo venne giudicato pieno di errori metodologici, mancava una esauriente descrizione del procedimento e della cella elettrochimica utilizzata, ma soprattutto mancava il modello, ovvero il motivo, la ragione, il principio fisico in base al quale questa fusione nucleare sarebbe dovuta avvenire. In breve tempo Fleischmann e Pons vennero messi alla berlina, bollati come ciarlatani, come disonesti opportunisti in cerca di pubblicità, perfino il settimanale per bambini Topolino fece una storiella sulla vicenda inventando i personaggi Splashman e Zomp! Così il loro lavoro venne marcato come falsità, come pseudoscienza e relegato nel dimenticatoio. Forse…forse con troppa fretta! La principale obiezione, ed è una obiezione più che legittima, riguarda le forze coulombiane; come abbiamo visto i nuclei atomici con tutti quegli airbag elettronici che gli stanno attorno e con le forze di repulsione degli stessi protoni, senza le enormi pressioni e temperature delle stelle non potrebbero mai avvicinarsi abbastanza da innescare l’interazione nucleare forte che permette la fusione nucleare, e su questo non ci nevica e non ci piove, ma forse…forse, valeva la pena di indagare meglio invece che scagliarsi contro Fleischmann e Pons a guisa di moderni Giordano Bruno!

Già nel 1991 Eugene Mallove, capo redattore dell’ufficio stampa del prestigioso Massachussets Institute of Technology, ammise che alcuni grafici di una relazione del MIT sulla fusione fredda erano stati alterati per non perdere finanziamenti nella ricerca sula fusione calda, e quella relazione ebbe non poco peso nel contrassegnare la ricerca di F. e P. come fuffa; ma la vicenda che più mi lascia basito è quella occorsa al gruppo di ricerca dei laboratori ENEA di Frascati. I ricercatori Emilio Del Giudice, Antonella Deninno e Antonio Frattolillo ricevono, niente popò di meno che  da Carlo Rubbia in persona, allora direttore dell’ENEA, la richiesta di uno studio per verificare il lavoro sulla fusione fredda di Giuliano Preparata (1942 – 2000), un tizio che si è laureato in fisica summa cum laude alla Sapienza nel 1964, professore di fisica a Princeton, Harvard, Rockefeller, New York University, dal 1974 al 1980  Staff Member nella Theory Division del CERN di Ginevra nonché noto per aver chiarito la natura del campo quantistico di Dirac; così quei bravi ricercatori, con 1,5 miliardi di lire di budget e 3 anni di tempo si mettono al lavoro e nel 2002 cagan…stilano con l’aiuto dello stesso Rubbia il Rapporto 41 in cui i risultati sulla possibilità di produzione di energia tramite fusione fredda sono molto incoraggianti e varrebbe la pena di approfondire; ma a quel punto Rubbia si defila. Non ha più contatti col gruppo di frascati, non rilascia interviste e non concede altri finanziamenti per proseguire la ricerca. Perché?

Ci sono molte cose che non tornano riguardo la fusione fredda, ci sono state omissioni, depistaggi e forti incoraggiamenti a interrompere o a non iniziare ricerche in questo campo che, evidentemente, a qualcuno dà molto fastidio. Quello che Fleischmann e Pons hanno visto non è la fusione fredda, o almeno il tipo di F.F. che comunemente intendiamo, ma hanno aperto una finestra che ha rivelato l’esistenza di qualcosa che potrebbe rivelarsi davvero utile per il genere umano; anche se con enormi difficoltà qualcuno non si è arreso e grazie a costoro si è aperta una nuova insperata strada, adesso sappiamo che sostituendo i muoni agli elettroni la fusione tra nuclei a basse temperature è molto più probabile: i muoni sono particelle molto simili agli elettroni ma molto più piccoli e con massa maggiore, un nucleo i cui orbitali sono costituiti da muoni anziché da elettroni  è un atomo con dimensioni esterne molto ridotte e conseguentemente con ridotte forze di repulsione coulombiane, questo permette un avvicinamento dei nuclei tale da innescare l’interazione nucleare forte e con essa la fusione nucleare. Questo fatto è noto da prima dell’esperimento di F. e P. ma se loro non avessero innescato tutto quel pandemonio nessuno avrebbe pensato di utilizzare le caratteristiche dei muoni alla fusione nucleare fredda. Tutto questo ci ha fatto vedere che l’inquisizione è tutt’altro che sconfitta, ha cambiato il vestito, ora è in giacca e cravatta ed è seduta su valanghe di dollari, ma non è né meno pericolosa né meno contro il progresso come lo fu quella di Torquemada!

Bibliografia

Web

Sito International Thermonuclear Experimental Reactor https://www.iter.org/

Sito no nukes http://www.nonukes.it/index.htm

Articolo originale di F. e P. https://bit.ly/2TXlIK0

Rapporto 41 http://www.fusione.enea.it/pubblications/TR/2002/RT-2002-41-FUS.pdf

Sito del Journal of Electroanalytical chemistry https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-electroanalytical-chemistry

Lettura sul R41 https://www.ibs.it/fusione-fredda-moderna-storia-d-libro-roberto-germano/e/9788870884364

Testi

C. A. Cavalli – Termodinamica industriale – Ed. Hoepli

D. De Filippo, C. Preti – Calcoli stechiometrici – Ed. La Goliardica, Modena

E. Stocchi, A. Valtellina, A. Vercesi – Tecnologia chimica – Ed. La Prora

Anna M. Manotti LanfrediA. Tiripicchio – Fondamenti di chimica

Ed. CEA

EAN:9788808180025 – ISBN:8808180026

R. Germano – Fusione fredda. Moderna storia di inquisizione e alchimia – Ed. Bibliopolis

EAN 9788870884364