Piezonucleare: un grande successo della fisica di frontiera

Il 29 novembre scorso, nella Sala Stampa della Camera dei Deputati è stata presentata una pubblicazione digitale per celebrare il 70esimo anniversario dell'accensione della pila di Fermi: 2 dicembre 1943. Il navigatore italiano è sbarcato nel nuovo mondo.

I più curiosi potranno seguire a questo link di Camera Web TV la registrazione video dell'evento (attenzione, dura un'ora... io non ce l'ho fatta!), ma soprattutto scaricare la pubblicazione (40 MB) da questo link: 

http://www.giorgioprinzi.it/nucleare/audiovisivifonti/enricofermi.pdf

Tra i tanti articoli degni d'interesse, c'è ne uno di tutta attualità - scritto dal Dottor Emilio Santoro Direttore dell'impianto nucleare TRIGA RC1 del Centro Ricerche ENEA della Casaccia - che riporto integralmente (salvo alcune immagini).

“Navigatori” italiani, militari e civili, 

sono sbarcati nel piezonucleare. 

Un grande successo nella fisica di frontiera

di Emilio Santoro

1. Dott. Emilio Santoro

(ENEA Casaccia)

In queste pagine verrà presentata la storia di un fenomeno fisico e di un’idea che hanno aperto una nuova e promettente strada, alternativa a quella nucleare “convenzionale”, nella produzione di energia. E per trattare questo argomento, si inizierà a raccontare l’avventura a partire proprio dagli anni in cui il fervore scientifico diede i maggiori contributi alla conoscenza e all’approfondimento delle nuove idee che stavano sconvolgendo la fisica. Non è a caso, infatti, che la nostra storia prende spunto da uno dei più grandi scienziati del secolo scorso: Enrico Fermi.

Quando questi emigrò negli Stati Uniti, nel 1941 divenne direttore scientifico del Progetto Uranio e nel dicembre del 1942 costruì a Chicago, nell’ambito del Laboratorio Metallurgico dell’Università, il primo reattore nucleare che poi dal suo nome fu chiamato Pila di Fermi, in ricordo della Pila di Volta per l’elettricità. Werner Heisenberg rimase in Germania e divenne il direttore dell’Uranverein, il progetto uranio tedesco, senza riuscire a risolvere in modo efficace il problema della massa critica. Il suo reattore fu completato nell’aprile del 1941 ma non diede buoni risultati fino a tutto il 1942, quando però Fermi aveva ormai realizzato il suo.

2. Uno degli aspetti rilevanti nel successo della ricerca italiana sul piezonucleare consiste nella fruttuosa sinergica collaborazione tra ricercatori civili e ricercatori militari, che ha consentito di raggiungere il successo con uno sforzo congiunto.

In altri settori questa osmosi non viene realizzata anche per l’esistenza in taluni ambienti universitari di preclusioni ideologhe che di fatto impediscono il trasferimento di tecnologia da avanzatissimi settori militari alle applicazioni civili, con danno enorme per la nostra tecnologia industriale, per la competitività sui mercati internazionali, per l’economia nazionale anche in termini di occupazione.

In Germania venne allora tentata una via all’energia nucleare parallela al progetto diretto da Heisenberg. L’idea concepita fu di aggirare il problema della massa critica generando, a partire da un’onda di pressione, un’onda d’urto all’interno di una quantità qualsiasi di uranio, prescindendo così dalla sua massa critica. I principali uomini che tentarono questa via furono K. Diebner, W. Gerlach e W. Trinks i quali, a partire dal 1943, si dedicarono alle reazioni nucleari prodotte o catalizzate con la pressione. Si accorsero però che la pressione applicata all’uranio da sola non bastava a innescare la reazione a catena e quindi passarono dalle onde di pressione alle onde d’urto.

Le onde di pressione hanno un andamento armonico, di tipo sinusoidale come le onde del mare, invece l’onda d’urto è impulsiva e violenta come un’onda del mare che si infrange di colpo contro gli scogli: in ciò consiste la differenza tra un suono armonioso e uno scoppio improvviso. È d’altra parte evidente che un’onda di pressione, in condizioni opportune, può essere trasformata in un’onda d’urto. Lo strumento che essi impiegarono fu la dinamite, ma a forma di sfera cava, contenente uranio nella cavità, perché l’esplosivo cavo era il modo migliore per indirizzare opportunamente l’energia e la pressione dell’esplosione.

Gli ultrasuoni e la cavitazione 

La scoperta della sono-luminescenza arrivò inattesa nel 1989. Era infatti sorprendente che il suono e gli ultrasuoni potessero indurre dei liquidi a emettere luce o più in generale radiazione elettromagnetica. Furono avanzate ipotesi su quale fosse il meccanismo che permetteva alle onde di pressione del suono e degli ultrasuoni di indurre emissione della luce da parte dei liquidi, ma presto ci si accorse che il vero fenomeno scatenante non era unicamente pressione bensì la “cavitazione”.

3. Piccole cavità nel metallo delle eliche 

prodotte dal fenomeno al quale è 

stato dato il nome di cavitazione. 

La cavitazione è un fenomeno che fu scoperto casualmente nell’acqua al principio del ventesimo secolo, quando le prime eliche metalliche delle navi risultavano piene di piccole cavità dopo un certo periodo di funzionamento. Presto si comprese la causa di quelle cavità, che danneggiavano il metallo, risiedeva nelle bolle di gas disciolto nell’acqua le quali, quando l’elica era in rotazione, invece di scoppiare e liberare il gas “implodevano”, collassando su loro stesse contro la superficie metallica, causando alcune cavità, da cui il nome cavitazione. Si comprese che questo processo di collasso era indotto da onde di pressione che riuscivano a concentrare in tempi brevissimi una grande quantità di energia in un volume microscopico. Il suono, e in particolare gli ultrasuoni, con la loro pressione riuscivano a causare il collasso delle bolle dei gas normalmente disciolti nell’acqua a pressione atmosferica e a temperatura ambiente. Questo avveniva in particolare quando le oscillazioni avevano una frequenza alta, da un minimo di 5000 ÷ 8000 oscillazioni al secondo, fino a un massimo di 20000 ÷ 25000 oscillazioni in un secondo.

4. Andamento delle curve di pressione 
da cui ha origine il fenomeno della “cavitazione”.

Fu quindi calcolata la temperatura dell’onda d’urto della cavitazione di una bolla, tale da permettere l’emissione della luce e i risultati furono sorprendenti. Partendo dalle misure della luce emessa, si stimarono temperature dell’onda d’urto dell’ordine di migliaia di gradi, poi di centinaia di migliaia e infine anche di milioni di gradi. Ovviamente, tali temperature hanno effetto solo a livello microscopico sugli atomi dei gas e dell’acqua, stimolandoli a liberare la luce insieme alle cariche elettriche di cui gli atomi sono composti.

La sono-luminescenza dimostrò che era possibile concentrare alte energie e alte temperature in tempi molto brevi e in volumi di spazio microscopici. Successivamente, si ritenne di aver trovato nelle bolle soggette a cavitazione delle “microscopiche cariche cave nucleari”, purché il gas all’interno delle bolle contenesse delle sostanze i cui nuclei potessero provocare reazioni nucleari, una volta sottoposte all’onda d’urto della cavitazione e alla sua alta temperatura. Si pensò di eseguire la cavitazione di acqua pesante contenente un isotopo dell’idrogeno, il deuterio, per verificare la possibilità di produrre reazioni termonucleari a causa delle alte temperature in gioco. In parole povere, si pensò di raggiungere la fusione termonucleare “inerziale” del deuterio partendo dalla temperatura ambiente e dalla pressione atmosferica. Contemporaneamente, si pensò di mescolare all’acqua pesante anche alcune sostanze radioattive (quali il solfato oppure il nitrato di uranile) per promuovere le reazioni indotte dalla cavitazione, ossia dalla sua onda d’urto. Dopo i primi entusiasmi facili e gli inevitabili fallimenti, iniziò un breve periodo di riflessione, alla fine del quale venne coniato il termine con cui indicare le reazioni nucleari indotte o catalizzate per mezzo della pressione: “reazioni piezo-nucleari”.

Il primo modello americano 1992 - 1998

Il primo serio tentativo condotto con successo negli Stati Uniti per realizzare reazioni nucleari mediante la cavitazione fu dovuto a G. Russ, il quale si appoggiò anche all’esperienza dello scienziato giapponese Y. Arata, uno dei più grandi studiosi della fusione termonucleare inerziale all’interno di sistemi fisici costituiti da metalli ed elementi leggeri, tra cui lo stesso deuterio. 

5. Yoshiaki Arata, uno dei più profondi studiosi 

della fusione termonucleare inerziale all’interno di sistemi fisici, 

tra cui quelli costituiti da deuterio.

I risultati di Russ sono stati i primi a fornire un ragionevole indizio che la cavitazione prodotta dagli ultrasuoni potesse dare luogo a reazioni nucleari, anche se le prove di tali reazioni non sono in genere sufficientemente chiare. Il modello di macchina, o se si preferisce di reattore, realizzato da Russ consisteva in una piastra metallica, di un metallo opportuno, il cui reticolo cristallino potesse assorbire il deuterio, e di un contenitore di acqua pesante in cui venivano immessi gli ultrasuoni. Gli ultrasuoni erano prodotti per mezzo di un generatore che inviava una corrente elettrica oscillante a una colonna di piastre piezoelettriche, le quali trasformavano a loro volta l’oscillazione elettrica della corrente in oscillazione meccanica delle singole piastre in modo sincronizzato. Da queste, l’oscillazione meccanica era quindi trasferita all’acqua con opportuni accorgimenti meccanici. Ciò allo scopo di ottenere che bolle contenenti vapori di acqua pesante fossero compresse da oscillazioni ultrasoniche entro l’intervallo che dava luogo alla cavitazione. Le bolle collassavano per effetto della cavitazione proprio in fondo al contenitore dove andavano a incidere contro la piastra metallica che contribuiva ulteriormente a concentrare il deuterio, grazie alla sua capacità di assorbirlo nel reticolo cristallino. Il sistema sembrava funzionare e la piastra su cui avveniva il collasso delle bolle di acqua pesante, dopo un certo periodo di tempo fondeva (in senso termico convenzionale e non nucleare) in alcuni suoi punti e veniva misurata la presenza di gas elio, che all’inizio del processo era assente. Russ propose queste due circostanze come prova che avvenivano reazioni termonucleari del deuterio. Il problema consisteva nel fatto che non vi erano sufficienti evidenze relative a misure associate di neutroni e di raggi gamma, che sono due dei tre prodotti della fusione termonucleare del deuterio. Il neutrone è il componente neutro dei nuclei mentre il protone è quello carico (positivamente) e i raggi gamma sono le onde elettromagnetiche di altissima energia prodotte dai nuclei stessi. Il deuterio è composto da un neutrone e da un protone e quando si fonde con un altro deuterio può generare elio e lasciare libero un neutrone, che è accompagnato da uno o più raggi gamma. La situazione era quanto meno anomala, ma poteva trovare una spiega- zione. In pratica, però, la macchina di Russ era come un motore a scoppio che faceva un solo scoppio e poi si fermava. La fusione della lastra di metallo bloccava infatti il processo allo stadio iniziale e non era possibile produrre un processo continuativo. Con questo modello di macchina non sembrava possibile innescare un processo continuo e questo ne decretò il parziale insuccesso e abbandono.

Il secondo modello americano 1999 - 2002

6. I Laboratori Nazionali di

Oak Ridge (USA)

Il secondo tentativo fu condotto in due dei principali laboratori statali di ricerca nucleare degli Stati Uniti, i Laboratori Nazionali di Oak Ridge e i Laboratori Nazionali di Los Alamos. A Oak Ridge, a partire dal 1999 R. Taleyarkhan, un fisico indiano originario di Madras iniziò gli esperimenti che condussero al secondo modello di reattore nucleare ad ultrasuoni. Egli tentò, con ultrasuoni e cavitazione, di comprimere prima un composto di carbonio e ossigeno (acetone) contenete più atomi di deuterio dell’acqua pesante e poi una miscela liquida di acqua pesante e sostanze radioattive. La macchina fu progettata in modo differente rispetto al modello di Russ.

Per ottenere la cavitazione, Taleyarkhan fece vibrare con gli ultrasuoni l’intero contenitore del liquido. Purtroppo questo sistema si è dimostrato altamente instabile e soggetto a rompersi molto facilmente. L’idea era molto simile a quella di Russ, ma ora si voleva produrre il collasso delle bolle non contro una piastra metallica sul fondo del contenitore bensì direttamente al centro del contenitore e non più in modo limitato, ma in modo continuativo: in poche parole un vero e proprio reattore a funzionamento continuo. Il problema consisteva appunto nella scelta del metodo di oscillazione dell’intero contenitore del reattore, le cui pareti non erano in grado di reggere per lunghi tempi le 20000 oscillazioni al secondo necessarie per generare il fenomeno della cavitazione. Si pensò a due scorciatoie per permettere al reattore di funzionare in modo efficiente anche in tempi limitati. La prima fu ingegnosa: Taleyarkhan sostituì all’acqua pesante, che contiene due atomi di deuterio, l’acetone deuterato che contiene sei atomi di deuterio ma che produce la cavitazione con circa la stessa frequenza di oscillazione degli ultrasuoni usati per l’acqua. In tal modo veniva aumentata di tre volte la quantità di deuterio nelle bolle e quindi, forse, anche il numero di fusioni nucleari tra i nuclei di deuterio compressi nel collasso delle bolle sottoposte a cavitazione. La seconda fu molto controversa perché utilizzava una sorgente a impulsi di neutroni esterna.

7. Lo scienziato Rusi Talevarkhan, 

artefice di una ingegnosa soluzione.

Continuò però a rimanere l’incognita relativa ai raggi gamma, perché non era chiaro se venissero o meno prodotti ed eventualmente in che entità. Questo rimase una sorta di mistero irrisolto che continuò ad aleggiare su tutti gli esperimenti. In definitiva, la domanda è questa: la pressione sotto forma di onda di pressione, di onda d’urto o di collasso da cavitazione può o non può produrre o catalizzare reazioni nucleari, e se sì di che tipo, note o nuove?

La via italiana alle reazioni piezo-nucleari 2003 - 2004

Gli studi sulle reazioni piezonucleari procedettero in Italia per via rigorosamente deduttiva, al contrario della via anglosassone euristica o a quella che era stata la via tedesca empirica. In più, si aggiunse la visione di una concezione rigorosamente geometrica dei fenomeni naturali. In parole povere, un modo di considerare i fenomeni molto pragmatico, che univa al rigore della deduzione l’elasticità dell’induzione, tutto questo prima di passare alla via sperimentale. Gli studi teorici che precedettero gli esperimenti furono lungamente dibattuti da vari studiosi di alcune università e istituzioni scientifiche italiane in particolare le Università di Roma La Sapienza, Roma Tre, L’Aquila, Perugia, Messina e Torino insieme alla massima istituzione scientifica d’Italia il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). Vi furono poi contributi di colleghi di altre istituzioni quali l’Università di Danzica in Polonia, i laboratori europei di ricerche nucleari (CERN) di Ginevra in Svizzera, le università del Maryland, di Harvard e il Politecnico di Boston (MIT) negli Stati Uniti.

8. Come ai tempi dei “Ragazzi di via Panisperna”, il Consiglio Nazionale delle Ricerche è stato nell’ambito di questa ricerca teorica e sperimentale un riferimento naturale e polo motore di coordinamento. 

9. Sotto il profilo teorico l'ipotesi di

una deformazione dello spazio

intorno ai nuclei atomici ha

consentito di spiegare la ragione

del fenomeno.

L’idea di partenza era che lo spazio attorno ai nuclei atomici non fosse piatto come un foglio di carta posato su di un tavolo ma che fosse possibile per le forze nucleari deformarlo a livello microscopico, almeno entro certi limiti. Questo spazio localmente deformato avrebbe reso ragione delle reazioni nucleari indotte o catalizzate dalla pressione. Non solo di quelle note: avrebbe aperto la via anche a nuove possibili reazioni. Lo spazio deformato attorno ai nuclei atomici era in analogia a quello che avviene attorno al sole con la forza di gravità, la quale deforma lo spazio costringendo la luce delle stelle a seguire traiettorie curve e non più rettilinee. Ci si accorse che questa deformazione microscopica si poteva realizzare solo sotto precise condizioni fortemente vincolate alla energia delle due interazioni fondamentali che sono l’interazione debole responsabile della instabilità dei nuclei (radioattività) e la forza nucleare forte, responsabile della esistenza stessa dei nuclei. In particolare, si scoprì che ciascuna delle due forze deformava lo spazio in modo indipendente, per cui si era obbligati a seguirle separatamente. Lo studio si concentrò quindi sulla forza nucleare e nel giro di alcuni anni si comprese che la deformazione dello spazio da essa indotta era legata a una soglia di energia molto precisa e molto alta: sarebbe stato necessario concentrare energia in tempi brevi e in spazi piccoli per superare tale barriera e accedere a questo nuovo spazio deformato, ove esplorare quali reazioni e trasformazioni divenissero possibili. In precedenza, gli esperimenti erano stati pensati come se la cavitazione trasformasse il collasso delle bolle in tante cariche cave nucleari microscopiche. Questa però è una visione superficiale: se così fosse stato, sarebbe bastato accendere il generatore di ultrasuoni e subito si sarebbe ottenuta la liberazione dell’energia nucleare, per esempio mediante la produzione di neutroni. In realtà, la cavitazione è solo un mezzo per concentrare energia sufficiente a superare la soglia di deformazione dello spazio (per non parlare del tempo) attorno ai nuclei atomici. Per concentrare l’energia, non è importante quanto grande sia la quantità di energia che si focalizza, ma quanto breve sia il tempo in cui essa si concentra e quanto lunga è la durata dell’intervallo di tempo in cui tale concentrazione viene ripetuta più e più volte. In pratica, ciò che è determinante è il rateo di variazione dell’energia e il tempo durante il quale si manifesta tale variazione. La variazione dell’energia null’altro è che la potenza. È fondamentale anche il tempo durante il quale si possa applicare questa potenza.

10. Il volume

pubblicato nel 2004

da F. Cardone e

R. Mignani.

Tutto questo fu riassunto in un volume pubblicato nel 2004 da una delle maggiori case editrici scientifiche internazionali, l’americana World Scientific. Dalla teoria era chiaro in quale modo fosse necessario operare, anche se restavano due problemi da risolvere: a quale sostanza o elemento applicare la potenza mediante ultrasuoni e quale fosse la struttura ottimale della macchina a ultrasuoni. Il primo problema era fondamentale poiché la scelta dell’elemento e della sua forma chimica determinavano la sostanza da usare, che avrebbe poi influenzato la scelta del materiale del contenitore. L’elemento doveva esser tale da poter sopportare il bagno ultrasonico alla massima potenza tecnicamente realizzabile, per la durata di tempo minore possibile, prima di superare la soglia di deformazione dello spazio attorno ai nuclei dell’elemento che avrebbe portato all’innesco delle reazioni piezo-nucleari con la conse- guente liberazione dell’energia nucleare. La teoria aggiunse alcuni dettagli essenziali: innanzitutto la soglia di deformazione dipende da ciascun elemento e in particolare dalla energia di legame di ciascun nucleo. Se il nucleo è quello di un elemento radioattivo oppure inerte, leggero come il deuterio oppure pesante come l’uranio, esso determinerebbe la maggiore o minore durata del tempo di applicazione degli ultrasuoni, influenzando la necessaria resistenza della macchina. L’energia nucleare si sarebbe dovuta liberare sotto forma di neutroni in movimento, la cui emissione però poteva essere discontinua ossia a impulsi variabili nel tempo, sia nella intensità che nella direzione. Ciò creava problemi alla loro rilevazione, necessaria per stabilire in un secondo tempo l’uso più conveniente per scopi industriali. Infine, non si sarebbero dovuti registrare raggi gamma poiché la loro energia sarebbe servita a mantenere la deformazione che avrebbe permesso la reazione piezo-nucleare. Infatti, superata la famigerata soglia, i neutroni sarebbero emersi senza essere accompagnati dai raggi gamma, la cui energia sarebbe rimasta intrappolata nella deformazione.

Per quanto riguarda la miglior struttura della macchina a ultrasuoni, c’è da fare alcune considerazioni. Scartati il primo e il secondo modello americani, è stato necessario considerare le limitazioni imposte dalla tecnologia disponibile sul mercato. La migliore macchina sperimentale, che per giunta era stata realizzata proprio in Italia all’Università di Perugia, aveva un sistema di raffreddamento a liquido talmente ingombrante e delicato, da renderla intrasportabile; inoltre la sua potenza non sembrava essere sufficiente. Era necessaria una macchina di nuova concezione ma che per praticità fosse il risultato della modifica di oggetti commercialmente disponibili con parti elettriche e meccaniche resistenti e ben collaudate. E, prima di tutto, occorreva un buon progetto concettuale dei suoi costituenti principali. La macchina doveva essere costituita da un generatore di tensione elettrica in grado di produrre, in una opportuna colonna di materiali piezoelettrici, 20000 oscillazioni al secondo. Tali oscillazioni meccaniche sarebbero state poi trasferite a un amplificatore di acciaio che a sua volta le avrebbe inviate a un sonotrodo tronco-conico, anch’esso di acciaio, la cui punta avrebbe liberato gli ultrasuoni.

11. Il sonotrodo, l’innovativo dispositivo 

introdotto nella sperimentazione dai ricercatori italiani.

Il sonotrodo è così chiamato poiché libera il suono, in analogia all’elettrodo che invece libera l’elettricità. Gli ultrasuoni si sarebbero liberati all’interno di una camera di reazione di forma e dimensioni opportune in modo che la punta occupasse il centro del volume della camera per rendere massimo l’effetto di concentrazione dell’energia prodotta con gli ultrasuoni.

Questi ultimi poi avrebbero generato la cavitazione nel liquido reattivo contenuto nella camera in quantità opportuna rispetto al volume utile, al netto del volume occupato dalla punta del sonotrodo. Il concetto tecnico nuovo era proprio questo: il sonotrodo e la sua punta dovevano essere separati e distinti dalla camera di reazione contenente il liquido reattivo. Era la punta a vibrare e non la camera, che sarebbe dovuta rimanere ferma. Il tutto sarebbe avvenuto a pressione atmosferica e a temperatura ambiente, anche se poi durante il tempo di funzionamento vi sarebbe stato un riscaldamento dovuto alle vibrazioni meccaniche.

Ora rimaneva da scegliere l’elemento da cui tutto poteva dipendere e tale scelta doveva tenere conto della teoria dello spazio deformato. Sin dal 1939, era stata stilata e poi sempre più perfezionata la tavola periodica dei nuclei atomici usando come criterio la massa del nucleo, data dal numero dei suoi componenti, e l’energia di legame specifica ottenuta dividendo l’energia di legame del nucleo per il numero dei suoi componenti, ovvero l’energia di legame per componente. Tutti i nuclei, a partire dal deuterio, e fino al più grande, l’uranio, erano ordinati secondo il valore crescente di questa energia di legame per componente. Tra i due estremi vi è il ferro che si trova circa a metà tra deuterio e uranio. Il ferro inoltre possiede il valore più alto dell’energia di legame per componente ed è inerte cioè non è radioattivo. Per la proprietà di avere l’energia di legame più alta, il ferro è il più svantaggiato per produrre energia nucleare e anche il meno incline a farlo. Tutto questo in condizioni normali, ossia di spazio piatto. Viceversa, nello spazio deformato delle forze nucleari, il ferro si trova invece in posizione avvantaggiata. Se vi è infatti una soglia di energia da raggiungere, che è al di sopra di tutte le energie di legame, il nucleo con l’energia più alta è certamente il candidato migliore, quello è più vicino alla soglia, che a parità di potenza fornita la supera per primo tra gli altri nuclei e, cosa più importante, nel minor tempo. Questo è un ragionamento di estrema semplicità ed eleganza che riassume una serie di ragionamenti e calcoli alquanto complessi, ed è dovuto al fisico italiano W. Perconti. A questo punto tutto era pronto, vi era una teoria compiuta e completa che formulava delle predizioni precise, quali la produzione di neutroni in assenza di raggi gamma e permetteva con chiarezza di identificare l’elemento da sottoporre alla cavitazione mediante ultrasuoni: il ferro.

Gli esperimenti italiani 2005 - 2009

Gli esperimenti scaturirono da una collaborazione tra Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) e Forze Armate, nel contesto di un accordo quadro stipulato nel 2004 dall’allora Ministro della Ricerca e l’allora Ministro della Difesa. A questi esperimenti dalla fine del 2005 si aggregò come osservatore, con sempre maggior interesse e impegno, la neo ricostituita Ansaldo Nucleare per volontà del suo primo Presidente. Il progetto della macchina a ultrasuoni fu eseguito dal Prof. F. Cardone e dall’ufficiale del Corpo Tecnico ingegnere F. Contalbo. La costruzione della macchina fu diretta personalmente dal Comandante A. Aracu che introdusse una serie di accorgimenti tecnici fondamentali, i quali risultarono particolarmente utili in sede degli esperimenti. Il generatore di ultrasuoni e la colonna di piezoelettrici vibranti furono acquistati presso l’industria tedesca Sonotronic e successivamente collaudati presso un’officina meccanica di Milano. Si trattava di indurre il ferro a emettere energia nucleare per mezzo degli ultrasuoni e per giunta entro un tempo ragionevole di minuti o al più di decine di minuti. La macchina, che fu chiamata “cavitatore”, venne realizzata e collaudata dalle Forze Armate nel 2005: i suoi due punti di forza erano la separazione del sonotrodo (vedere figura 11) rispetto alla camera di reazione e il sistema di raffreddamento. Gli ingegneri militari scartarono molto presto l’idea di usare un raffreddamento a liquido e si rivolsero a progettare un sistema di raffreddamento ad aria forzata di concezione completamente nuova. L’importanza dell’impianto di raffreddamento è dovuta alla necessità di abbinare sonotrodo e camera di cavitazione secondo proporzione geometriche molto precise, che vengono alterate dalla dilatazione termica causata dal riscaldamento prodotto dalle vibrazioni che generano gli ultrasuoni. L’impianto di raffreddamento impedisce che la dilatazione termica alteri la geometria del sonotrodo rispetto alla camera di reazione. Ciò permette il corretto funzionamento della macchina senza limiti di tempo e quindi consente di superare il tempo di attesa causato dall’inerzia del fenomeno a seguito del superamento della soglia di energia dello spazio deformato nucleare. La macchina “cavitatore” fu provata con la camera di reazione e raggiunse la potenza di 100 watt di ultrasuoni trasferiti al centro della camera. Tale potenza corrispondeva a un’ampiezza di oscillazione della punta di 30 micron (milionesimi di metro) alla frequenza di 20000 oscillazioni al secondo. Fu anche scelto il volume definitivo che fu di 300 millilitri e il tempo di applicazione degli ultrasuoni che fu di 90 minuti. L’acqua distillata diventò sostanza di riferimento per la cavitazione. Gli elementi da mettere alla prova furono posti in ordine crescente di massa e di energia nucleare per componente del nucleo e furono il litio, l’alluminio e il ferro. Ovviamente, ci si attendeva che il litio e l’alluminio non dessero neutroni entro 90 minuti, mentre sarebbe dovuto accadere per il ferro. Le sostanze chimiche scelte furono il cloruro di litio, il cloruro di alluminio, il cloruro di ferro e il nitrato di ferro, sempre per un volume di 300 millilitri corrispondente a una massa di circa 300 grammi, allo stato liquido.

12. Immagine dell’energia nucleare 

prodotta dal reattore ultrasonico 

in una gelatina che la rende visibile.

Infine, la scelta dei rivelatori dei neutroni. Mentre era abbastanza facile la scelta dei rivelatori di radiazioni ionizzanti, sia per le radiazioni con carica elettrica, alfa e beta, che per le radiazioni elettromagnetiche d’alta energia, gamma, scegliere i rivelatori di neutroni richiese uno studio a parte. La scelta si orientò sui rivelatori termodinamici. In questi rivelatori l’energia dei neutroni mette in ebollizione gocce di un idrocarburo aromatico immerso in una gelatina che permette di “bloccare le bolle” e renderle visibili e fotografabili, nonché di contarle e quindi di misurare dal loro numero l’energia rilasciata dai neutroni. Nel 2006 furono utilizzati, assieme ai termodinamici, anche lastre fotografiche di policarbonato, denominate CR39, corrette al Boro per consentire un ulteriore riscontro fotografico con cui “vedere” con un altro metodo l’energia rilasciata dai neutroni prodotti. Infine nel 2007 fu affiancato ai termodinamici anche un rivelatore elettronico al trifloruro di boro per poter registrare elettronicamente e riportare in un grafico le emissioni di impulsi di neutroni al passare del tempo.

Nel 2005 gli esperimenti vennero eseguiti nel laboratorio presso il 4° Reggimento Scorpione e vennero messi alla prova sia gli elementi inerti che un elemento radioattivo. Essi furono, nell’ordine degli esperimenti, il ferro, l’alluminio, il litio e il torio. Quest’ultimo è stato utilizzato per verificare il comportamento di un elemento radioattivo rispetto a quelli inerti.

I risultati furono sorprendenti e stupefacenti al tempo stesso. Primo esperimento: la macchina funzionò correttamente e dopo 50÷60 minuti di ultrasuoni i rivelatori termodinamici iniziarono a registrare segnali significativi fino allo scadere dei 90 minuti. I controlli incrociati con differenti rivelatori in differenti condizioni confermarono che si trattava effettivamente di segnali prodotti da neutroni; un esempio è mostrato nella figura in alto a destra nella pagina precedente. Inoltre, non vennero registrate radiazioni alfa e beta al di fuori della camera di reazione né durante i 90 minuti di ultrasuoni né dopo, a macchina spenta. La conferma definitiva arrivò dall’assenza di radiazioni gamma in tutte le condizioni. Gli esperimenti con il litio e l’alluminio diedero risultato negativo entro i 90 minuti di ultrasuoni: niente neutroni, né alfa, beta o gamma. Per ulteriore conferma, furono ripetuti esperimenti sia con il cloruro di ferro che con il nitrato di ferro senza che i risultati della produzione dei neutroni variassero. Ciò confermò che la forma chimica non influenzava la produzione di neutroni: solo la presenza dell’elemento ferro era determinante. Infine, sempre col ferro, il volume fu portato a 500 millilitri e l’emissione di neutroni questa volta si verificò dopo un tempo più lungo di 60 minuti. Questo confermò definitivamente l’esistenza di un’inerzia e quindi di un tempo di attesa nel processo di produzione delle reazioni piezo- nucleari mediante ultrasuoni e cavitazione. Infatti, per volume maggiore, e quindi con massa maggiore, era stato necessario un tempo più lungo.

Gli esperimenti con il Torio furono molto delicati e lunghi poiché richiesero l’uso di lastre fotografiche per misurare in modo incontrovertibile se vi fossero variazioni nel numero delle radiazioni alfa prodotte dal Torio con o senza ultrasuoni e poi misurare con delicate analisi di spettrometria se il contenuto di Torio era variato.

Nel 2006 gli esperimenti vennero eseguiti nei laboratori del CNR a Roma, figura in basso, per verificare la completa riproducibilità del fenomeno e la possibilità di controllare la produzione dei neutroni variando il rapporto geometrico tra punta del sonotrodo e camera di reazione, nonché la costante assenza di radiazioni alfa, beta e gamma durante il processo. Tutti questi sono ampiamente illustrati nel volume Deformed Spacetime (ref. 11)

Figura 13

Nel 2008 iniziò un nuovo capitolo dell’avventura italiana nelle reazioni piezo-nucleari: quello dei materiali solidi. Infatti, se cavitando un liquido con la pressione degli ultrasuoni si erano ottenute reazioni piezo-nucleari, allora fratturando in modo opportuno un solido con la pura pressione meccanica, si sarebbero dovute ottenere ugualmente reazioni piezo-nucleari con emissione di neutroni. Ovviamente, i solidi da comprimere sino a frattura devono contenere ferro, come i liquidi sottoposti a cavitazione. Ma quale frattura era la più adatta? Dopo un attento esame venne scelta la frattura di tipo catastrofico, in termini specifici la “frattura fragile”, quella in cui un materiale solido compresso si spacca repentinamente con una sorta di “scoppio”. Il problema da affrontare era di tipo prevalente- mente tecnico e del tutto nuovo e venne affrontato nel politecnico di Torino dagli ingegneri A. Carpinteri, G. Lacidogna ed Amedeo Manuello. Anche questa volta i risultati furono sorprendenti, primo esperi- mento primo successo. Furono sottoposti a compressione due tipi di materiali: il granito, contenente ferro, e il marmo, del tipo privo di ferro. Il granito sotto pressione si frattura in modo catastrofico. Il marmo invece si frattura in modo non catastrofico, la sua frattura è detta duttile. I rivelatori di neutroni impiegati furono i ben collaudati rivelatori termodinamici, abbinati a un rivelatore elettronico contenete gas elio3. La frattura del granito diede luogo a chiari segnali di neutroni in entrambi i tipi di rivelatori, quella del marmo no, esattamente come ci si aspettava. In particolare, le misure con il rivelatore ad elio3 mostrarono (figura 13) che vi erano singoli picchi di neutroni all’atto della frattura, quando la forza che comprime il materiale crolla.

Le reazioni nucleari ultrasoniche con sostanze radioattive: il Torio

Figura 14

Gli esperimenti con il Torio condotti nell’anno 2005 sono stati ispirati da precedenti esperimenti condotti in Russia sull’uso di onde d’urto da esplosioni elettriche in soluzioni di acqua e sostanze radioattive tra cui il Torio. Infatti, si constatò che il contenuto di Torio variava e poteva diminuire. Considerando l’estrema pericolosità del Torio, sia radioattiva che chimica, vennero preparate soluzioni a bassissimo contenuto dell’isotopo Torio228 per sottoporle a cavitazione alla potenza di 100 watt, alla frequenza di 20000 oscillazioni al secondo, per un tempo di 90 minuti. Fu scelto il Torio 228, il cui nucleo è composto da 90 protoni e 138 neutroni, poiché è un esa-alfa emettitore ossia si trasforma radioattivamente emettendo sei particelle alfa che formano su una lastra fotografica di policarbonato CR39 una immagine come delle dita di una mano aperta. Per questo la sua radiazione specifica si riconosce in modo inequivocabile anche in mezzo ad altre radiazioni ambientali. Il tempo necessario perché la sua radiazione si riduca della metà e il suo contenuto si dimezzi, è di circa due anni. Furono preparati 12 campioni da 300 millilitri di acqua con Torio di cui 4 servirono da riferimento e gli altri 8 vennero sottoposti a cavitazione per 90 minuti. Sul fondo di ciascuna camera di reazione venne posta una lastra fotografica di policarbonato CR39. Al termine, furono analizzati con uno spettrometro di massa ad alta risoluzione (quadrupolare a settore magnetico) i campioni cavitati e non cavitati, riscontrando che sistematicamente il contenuto di Torio si era dimezzato nei campioni sottoposti a ultrasuoni rispetto a quelli non sottoposti (vedere tabella 14). Inoltre, le immagini della radioattività specifica, (figura 15), mostrarono che il numero delle tracce riferibili al Torio era rimasto invariato, sebbene il numero di campioni sottoposti ad ultrasuoni fosse il doppio di quelli non sottoposti; quindi la radioattività specifica si era dimezzata. Nelle foto dei campioni sottoposti a ultrasuoni non vi era variazione delle tracce di altre radiazioni, quindi alla diminuzione delle radiazioni del Torio non corrispondeva una variazione di altre radiazioni. Contemporaneamente, la misura dei neutroni non aveva dato alcun segnale significativo. Tutti questi fatti portano a ritenere che il Torio sottoposto a ultrasuoni e cavitazione si possa essere trasformato, sebbene non sia stato identificato il o i risultati della trasformazione, senza produzione di neutroni e in un tempo di 90 minuti, ossia diecimila volte meno tempo dei due anni collegati al dimezzamento naturale per via radioattiva. L’assenza di neutroni e di variazioni di altre radiazioni registrate dalle foto, porta a escludere che il naturale decadimento del Torio sia stato accelerato di diecimila volte nel tempo. Per confronto, vennero eseguite spettrometrie di massa ad alta risoluzione su tutti i campioni di ferro sottoposti a cavitazione. Le variazioni degli elementi riscontrate portarono a concludere che potevano essersi verificate reazioni in cui i nuclei di elementi si erano divisi dando luogo a fenomeni di nucleolisi (non di fissione), o addirittura nuclei di elementi anche differenti si erano uniti dando luogo a fenomeni di nucleosintesi (non di fusione). Altri hanno proposto anche i nomi di piezofissione e piezofusione nucleari, oppure di fissione piezonucleare e fusione piezonucleare, o anche di nucleosintesi cavitativa e nucleolisi cavitativa. 

15. Nelle immagini fotografiche la radiazione del Torio viene evidenziata
all’interno dei singoli cerchi. Nella prima colonna quattro campioni di Torio 
non sottoposto ad ultrasuoni; nelle successive otto campioni di Torio
sottoposto ad ultrasuoni.
Le immagini evidenziano che il Torio trattato con ultrasuoni presenta una
radiazione dimezzata; inoltre, gli ultrasuoni non generano alcuna altra
tipologia di radiazioni. 

Le prospettive di sfruttamento delle reazioni nucleari ultrasoniche

Le reazioni piezo-nucleari che sono state esaminate negli esperimenti si possono dividere in due grandi categorie: reazioni ultrasoniche esotermiche e reazioni ultrasoniche endotermiche. Si può affermare, in generale, che tali reazioni ultrasoniche, intese come reazioni piezo-nucleari, siano valide tanto nei liquidi quanto nei solidi.

Le reazioni nucleari ultrasoniche per liberare energia necessitano di sali di ferro e il ferro è molto comune in natura. Questo risolve il problema della dipendenza geopolitica dai produttori delle fonti primarie. Inoltre, gli esperimenti hanno mostrato che le reazioni nucleari ultrasoniche non producono scorie radioattive e nemmeno radioattività residua e questo risolverebbe il problema dei rifiuti pericolosi. Ma qual è il modo migliore di usare questa energia liberata che vediamo nella figura 12. La prima idea sarebbe quella di usare direttamente questa energia per generare corrente elettrica mediante alternatori con turbine mosse dal vapore acqueo ottenuto raffreddando i neutroni. Non è detto che questa sia la maniera più efficiente di sfruttare questo fenomeno. Un altro modo, forse migliore, di sfruttare questi neutroni e la loro energia è di usarli per scatenare reazioni nucleari secondarie in opportuni materiali, quali l’acido borico che è anche molto comune, in cui la generazione di energia venga amplificata. In poche parole, usare i neutroni delle reazioni ultrasoniche come innesco per liberare quantità di energia sempre maggiori. Il massimo traguardo di un futuro prototipo industriale è produrre 3 chilowattora di corrente elettrica per ogni chilowattora di corrente consumata per generare gli ultrasuoni necessari alle reazioni. 

Gli esperimenti hanno indicato un’altra sorprendente possibilità offerta dalle reazioni nucleari ultrasoniche: la distruzione delle sostanze radioattive mediante la trasmutazione in sostanze inerti prive di radioattività.

Ovviamente, i costi per realizzare questi traguardi ambiziosi sono molto alti. È stato valutato che ciascun prototipo industriale può costare 100 milioni di euro per ciascuna applicazione specifica: produzione di energia, distruzione di sostanze radioattive, trasformazione delle sostanze. Certo sarebbe un programma lento e a lungo termine (10, 15 anni) ma col vantaggio di essere economicamente sopportabile nel medio termine (3, 5 anni). In poche parole, si potrebbe pensare di sviluppare prima le possibilità tecniche di eliminazione delle sostanze radioattive. Per pensare di liberare così, in un prossimo futuro, l’industria nucleare dell’energia dal suo costo principale, lo smaltimento dei rifiuti.

Bibliografia essenziale 

1. Enrico Fermi e i secchi della Sora Cesarina, ed. Di Renzo, 2000
2. La bomba di Hitler, ed. Lindau, 2006
3. K. Diebner, Kerntechnik 3, 89, 1962
4. S. Kaliski, Nature 269, 370, 1977
5. F. Winterberg, Atomenergie-Kerntechnik 44, 146, 1981
6. H. Metcalf, Science 279, 1322, 1998
7. Cavitation and bubble dynamics, ed. Oxford University Press, 1995
8. G. Russ, www.newenergytimes.com, www.d2fusion.com
9. R. Taleyarkhan et al., Science 295, 1868, 2002 ; Physical Review E 69, 036109, 2004; Physical Review Letters 96, 034301, 2006
10. Energy and Geometry, ed. World Scientific, 2004 
11. Deformed Spacetime, ed. Springer, 2007
12. F. Cardone et al. Physics Letters A 373, 8-9, 862, 2009
13. L. Urutskoev, Annales Fondation L.de Broglie 29, 1149, 2004
14. F. Cardone et al. Physics Letters A 373,22, 1965, 2009
15. CNR, https://brevetti.cnr.it/brevetti/reports/InfoTrovato.jsp?nsrif=1740&dip=6, https://brevetti.cnr.it/brevetti/reports/InfoTrovato.jsp?nsrif=1741&dip=6
16. Physics Letters A 373, 4158, 2009