Intervento di Celani a Viareggio

Ho adattato e ridotto per il web le slide che Francesco Celani ha proiettato ieri nel corso della sua relazione al convegno di Viareggio sulla "fusione fredda". Ringrazio l'autore per averne consentito la pubblicazione su questo blog. Il pdf originale ed integrale è scaricabile qui. Altro materiale del convegno è accessibile attraverso questo link.

La fusione fredda da sogno a realtà:

gli esperimenti in Italia e nel mondo

Francesco CELANI

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) - Laboratori Nazionali di Frascati

V. Presidente ISCMNS (International Society of Condensed Matter Nuclear Science)

Evento divulgativo “La fusione fredda è diventata realtà?” – Viareggio, 23 luglio 2011

Sponsor: Delta Energie srl – Patrocinio: Comune di Viareggio

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Le reazioni conosciute che forniscono energia sono di 4 tipi diversi, di cui uno nuovo:

“LENR” è acronimo di “Low Energy Nuclear Reactions”, nome dato alla “fusione fredda” particolarmente in USA.

La nuova linea di ricerca: LENR o “CMNS”

Da circa 10 anni gli studi sulla Fusione Fredda sono identificati anche con l’acronimo CMNS (Condensed Matter Nuclear Science), particolarmente in ambito Europeo e Giappone-Cina-ex-Russia.

• È stata fondata una Società Scientifica, a livello Internazionale (ISCMNS, International Society of Condensed Matter Nuclear Science), con sede in GB, per coordinare gli studi in tale settore.

• Ne fanno parte anche Premi Nobel, membri della Royal Society, etc. Presidente della ISCMNS è Li Xing Zhong (Cina), ex-Fusione calda ed IAEA [Vice-Presidente è lo stesso Celani]

“Fusione fredda” vs “Fusione calda”

La “fusione calda” è quella che avviene nelle stelle ad altissime temperature e pressioni. Nel caso del sole inizia con il ciclo p-p.

La “fusione fredda” avviene a basse temperature (40°-900°C) ed a basse pressioni (1-60 atm).

 Fusione nucleare nella materia condensata

La fusione fredda non può avvenire in un mezzo qualsiasi ma solo nella “materia condensata”.

Condizione necessaria, ma non sufficiente, per l’innesco della reazione è che il “combustibile” (ad es. H o D) raggiunga una certa soglia di concentrazione nel reticolo cristallino di un metallo (ad es. Pd o Ni): tale operazione è detta “caricamento”.

Reazioni in regime controllato e non

Nelle reazioni di fusione fredda in REGIME CONTROLLATO vi è produzione di energia e/o particelle nucleari.

Le reazioni nucleari a bassa energia realizzate, invece, in REGIME INCONTROLLATO possono essere usate per realizzare armi autonome o come innesco per micro-mini bombe atomiche (1/10.000 – 1/100 Hiroshima).

Introduzione alla Fusione fredda = LENR

1. La nascita delle LENR non è stata “felice” (Fleischmann-Pons).
2. Le reazioni non producono radiazioni nucleari intense e/o decadono rapidamente.
3. I meccanismi alla base delle LENR non sono ancora compresi.
4. Se le LENR raggiungeranno la fase di commercializzazione, il loro uso come fonte di energia può diventare dominante.

Fusione fredda: i due principali filoni di ricerca

1) Reazioni “PALLADIO-DEUTERIO” (Pd-D₂)

Esempio: esperimento originale di Fleischmann e Pons (1989, USA)

Tipo di cella: elettrolitica (pertanto “umida”) alla Fleischmann-Pons, ma in seguito anche “secca”: Arata, Celani, Claytor, Takahashi…

2) Reazioni “NICHEL-IDROGENO” (Ni-H)

Esempio: ricerche di Piantelli-Focardi-Habel a Siena e successive

Tipo di cella: secca (una camera chiusa)

Il setup sperimentale nella fusione fredda

Per realizzare reazioni in regime controllato in genere occorre:

• Un combustibile: ad es. Deuterio (D₂; D₂O, acqua pesante) oppure Idrogeno (H₂) ma monoatomico (H, D)
• Un metallo: ad es. Palladio (Pd) oppure Nichel (Ni)
• Una cella: ad es. “umida” (elettrolitica) o “a secco”
• Le giuste condizioni: di temperatura, pressione, etc.

 
La nascita della fusione fredda

La linea di ricerca della FUSIONE FREDDA inizia il 23 Marzo 1989 a seguito dell’annuncio congiunto di due illustri elettrochimici dell’Università di Salt Lake City (M. Fleischmann e S. Pons) e di un fisico nucleare (S. Jones) dell’Università di Provo, entrambi nello Utah-USA. 

• Martin Fleischmann è stato addirittura Presidente della Società Internazionale degli Elettrochimici ed è membro (da circa il 1980) della Royal Society (Inghilterra).

• Steven Jones era un notissimo fisico nucleare nell’ambito della Fusione indotta da muoni (cosidetti “elettroni pesanti”), editore della rivista “Muon CatalysedFusion” e co-autore di un articolo (ad altissimo “impact factor”) pubblicato su Scientific American nel 1986 sulla fusione muonica (ri-usò il termine “Fusione Fredda” di Luis Alvarez). La fusione muonica fu prevista da A. Sacharov (“padre” della bomba H in Russia) nel 1950 e scoperta sperimentalmente nel 1956 dal (futuro, 1968) Premio Nobel Luis Alvarez nella reazione protone-deutone.

• In realtà, anche se poco noto, i primi studi sulla fusione fredda risalgono al 1958: Yoshiaki Arata, Università di Osaka - Giappone => Solid State Nuclear Fusion.

Le ricerche pionieristiche di Yoshiaki Arata

Yoshiaki Arata è stato il pioniere della fusione calda con il metodo del pinching dal 1958 (primo esperimento al mondo, Università di Osaka) con il Deuterio (D₂) in fase gassosa.

• Dopo il 1958, stanco di affrontare i problemi d’instabilità del plasma, tipici di tale metodologia, pensò di “confinare” il D₂ dentro il reticolo cristallino del Palladio (Pd) e sottoporre il tutto a situazioni di non-equilibrio con le elevatissime correnti pulsate già usate per la fusione calda.

• Diede a tale linea di ricerca, perseguita a livello pressoché amatoriale presso l’Università di Osaka, il nome di “Solid State Nuclear Fusion”.

Il primo esperimento “noto”: Fleischmann e Pons

Anno 1989 - Conferenza stampa di annuncio senza avvenuta pubblicazione (solo accettato da Journal of Electroanalytical Chemistry) su rivista con peer review.

Setup: Cella elettrolitica Palladio-Deuterio.

Due elettrodi: uno di Palladio e uno di Platino.

Il Deuterio è “caricato” nel Palladio.

F&P dichiarano di aver osservato i seguenti prodotti: leggero calore in eccesso, neutroni, raggi gamma e X...

Stato dell’arte oggi: l’E-Cat di Rossi-Focardi

 (N.B. Dichiarazioni di Rossi-Focardi, no test indipendenti esterni)

È un apparato (E-Cat) che sfrutta la reazione Nichel-Idrogeno (Ni-H). “Sviluppo” esperimenti Piantelli-Focardi-Habel (1992, barra di Ni) ma con nano-micro particelle di Ni+XYZ (segreto).

 

 Gli esperimenti “nel mezzo”: oltre 20 anni…

• G. Fralick (NASA, 1989) – Cella “a secco” non di tipo elettrolitico alla F&P: flusso di D₂ gas pressurizzato ad alta temperatura (330°C) attraverso tubo Pd, eccesso termico in ingresso ed uscita unicamente con Deuterio; con H₂ eccesso termico solo in ingresso (come atteso).

• Y. Iwamura (Mitsubishi, 2000): produzione di nuovi elementi, cioè “trasmutazione”, tramite multistrati nanometrici di Pd/CaO depositati su substrato massivo (spessore lamina 0.1mm) di Pd e D2 gas flussato tramite gradiente di pressione (2-3 Atm), temperatura di 80°C; depositi di Sr->Mo, Cs->Pr, Ba->Sm. La quantità di materiale trasmutato è dell’ordine di ng/cm2/giorno.

• G. Preparata e coll. (ENEA, 2002): dimostrazione sperimentale del “confinamento” del D provocato da una elevata differenza di potenziale ai capi di fili lunghi e sottili di Pd, regime elettrolitico, evidenza di calore anomalo ed ⁴He (cfr. De Ninno).

• Y. Arata (Univ. Osaka, 2005): utilizzo di nanoparticelle (5-15nm) di Pd disperse in una matrice di Zirconia; evidenza di calore anomalo ed ⁴He ad alta concentrazione. Misura online della produzione di calore e successiva produzione di valori macroscopici di ⁴He. Dimostrazione pubblica dell’esperimento ad Università di Osaka (Maggio 2008).

• A. Takahashi, A. Kitamura (Toyota e Univ. Kobe, 2009): esperimenti di replica di quello di Arata, ma effettuati con un apparato completamente diverso e materiale preparato da una Industria (Soc. Santoku, Kobe). 

È stato finalmente superato il problema della cosiddetta irriproducibilità trasferita negli esperimenti di CMNS.  

• F. Celani e coll. (INFN, 2008): sviluppo di tecnica ibrida per ottenere calore anomalo ad alta temperatura (500oC). Pd in forma di fili lunghi e sottili (tipo Preparata) con depositi a multistrato (tipo Iwamura) di nanomateriale (tipo Arata), il tutto in atmosfera gassosa di D₂ ed elevata temperatura prodotta da Joule heating (fenomeni di “iperdiffusione” del D₂ all’interno del Pd provocati sia da diffusione termica, tipo Arrhenius, che elettromigrazione con J=45 kA/cm²). Densità di potenza massima ottenuta: 400W/g di Pd e D₂ a 500°C; 1800W/g di Ni e H₂ a 900°C, ma di ardua replica.  La tecnica del deposito di nanoparticelle su fili sottili rappresenta lo sviluppo/variante di una procedura sviluppata [dal gruppo di Celani], dal 1998, in elettrolisi. 

Uso del Nichel-Idrogeno

• I primi esperimenti dell’utilizzo del Ni puro” (cilindri di varie dimensioni) e superficie “trattata (NdA nanostruttura topologica?), in un sistema gassoso riempito di H₂ a pressioni sub-atmosferiche e temperature di circa 350°C è quello realizzato dal gruppo: Piantelli-Focardi-Habel nel 1992 presso l’Università di Siena. Difficoltà di replica dell’esperimento hanno limitato lo sviluppo ulteriore di tale (interessante) procedura. Si ha notizia (ufficiosa) che, recentemente, Piantelli sia riuscito a superare la maggior parte degli ostacoli.

• La tecnica del Ni-H, ma con nano-particelle di Ni ricoperte da uno specifico additivo, è stata ripresa dal gruppo Andrea Rossi-Sergio Focardi (Industria privata e Univ. di Bologna, 2008). Veniva usato idrogeno “nascente” prodotto da una piccola cella elettrolitica (attualmente H₂ gas pressurizzato). I risultati - e le procedure - sono mantenuti nel riserbo (brevetti). Secondo gli Autori, inizialmente sono riusciti ad ottenere un guadagno energetico a temperature (stimate) di 300°C, di circa 8 con un reattore “standardizzato” da 1-3 kW termici. Fino ad arrivare all’attuale reattore da oltre 10 kW termici che “amplificherebbe” fino ad un fattore 100, ma poco stabili (sicurezza???). 

• Dal 2005 Y. Arata ha sviluppato anche un nuovo tipo di nanoparticelle dalla composizione atomica Ni₃₀-Pd₅–(ZrO₂)₆₅. Attualmente (2009), tale materiale è quello che sta fornendo i migliori risultati dal punto di vista dell’eccesso termico, anche se limitato a tempi di 48h.

• Un gruppo americano (da Sett. 2010) ha replicato con successo il materiale sviluppato da Arata. Misure effettuate con apparato e personale della Toyota (Nagoya-Giappone). Attualmente un nuovo materiale utilizzato da B. Ahern (ZrO₂, Ni, Cu, Pd,) è addirittura migliore di quello di Arata (8W a 580°C, oltre 2 settimane).

• Il deposito sviluppato [dal gruppo di Celani] per realizzare il multilayer prevede strati alternati di Pd e sali multipli (B, Ba, Sr, Th, etc). La stessa procedura è applicata sia per i fili in Pd che per quelli in Ni. I (migliori) risultati ottenuti con il Ni sono nettamente superiori a quelli ottenuti con il Pd rispetto alla densità di potenza in eccesso e temperatura (Ni: 1800 W/g, 850-900°C; Pd: 400 W/g, 500-550°C) ma sono di ardua replica (almeno finora).

Curva di assorbimento dell’Idrogeno nel Nichel

Caricamento: il palladio senza e con deuterio

(foto SEM, c/o gruppo NEXT@INFN-LNF)

 

Conclusioni

• La linea di ricerca convenzionalmente nota come “Fusione Fredda” è iniziata dal 1958 in Giappone, anche se a livello di lavoro a tempo parziale. Nel 1989, grazie a M. Fleischmann - S. Pons e S. Jones, vi è stato un rapidissimo interesse a livello Internazionale ed una sua rapida caduta dopo che sono emersi gli enormi problemi di riproducibilità.

• Un ridotto numero di Ricercatori, poiché erano riusciti ad ottenere - in maniera più o meno fortunosa - risultati “anomali”, ha continuato le ricerche. Il maggiore sforzo economico (e d’immagine) è stato affrontato da Industrie e Governo Giapponesi. Sono particolarmente attive organizzazioni della difesa in USA (NRL) oltre che Laboratori di origine militare (ad es. LANL: Los Alamos National Laboratory).

• Attualmente, risulta che una delle strade più promettenti sia quella basata sulle nanoparticelle o nanostrutture che dir si voglia. In tale filone, sono ovviamente protagonisti i Giapponesi (anche per motivi storici) e gli Italiani. Da circa 18 mesi, grazie all’intervento strumentale dei Laboratori (militari) AMES, sembra che gli USA stiano riprendendo il controllo di tale linea di ricerca.

• Purtroppo l’utilizzo dell’Idrogeno, ed in misura ancor maggiore del Deuterio, in specifici reticoli cristalli di materiali ad alto peso atomico, è già stato applicato per la fabbricazione d’ordigni bellici “nucleari” (E. Teller, 1953).

• Tale caratteristica intrinseca, unita alla capacità del Pd, ed ancor più delle nanoparticelle in genere, ad assorbire elevatissime quantità dei suddetti gas, potrebbe aver indotto alcuni ben definiti circoli d’interesse ad ostacolare/controllare, per quanto possibile, tali studi quando effettuati da “ricercatori qualunque”. Il loro timore è che, casualmente, tali Ricercatori si possano imbattere in “qualcosa” che ben conoscono da tempo e che, secondo alcuni autori (MT, EdG), hanno già utilizzato.

• È notizia recentissima che un noto gruppo di lavoro operante presso i LANL sia riuscito ad aumentare, di svariati ordini di grandezza, la produzione di Trizio quando le precedenti strutture a multistrato di SiO₂-Pd (che venivano fatte assorbire di Deuterio e sottosti a campi elettrici variabili di alcune migliaia di Volts) vengono sostituite da lunghi e sottili fili di Ni aventi la superficie nanostrutturata.

• Ritengo che le applicazioni pacifiche di tale possibile fonte energetica, a basso impatto ambientale, debbano prevalere su qualunque timore di una sua applicazione bellica che, di fatto, è insita in ogni manufatto umano.