Introduzione alla
Fusione Fredda
Liceo “Edoardo Amaldi”
26 Febbraio 2005
William J M F Collis
[email protected]
“Considerate la vostra semenza:
Fatti non foste a viver come bruti,
Ma per seguir virtute e conoscenza.”
Dante, Inferno, XXVI 118-120
1
Scienza di Frontiera
Le 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
2
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
3
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
4
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.
5
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.
6
Isotopi di Idrogeno
H (prozio)
 1
H (deuterio)
 2
H (trizio)
 3
99.975%
0.015%
radioattivo
7
Fusione Nucleare


Reazioni nucleari producono millioni di volte
piu’ energia di una reazione chimica.
H + H -> H2 + 4.5 eV
(reazione chimica)
H + 1H -> 2H + 1.44 MeV (fusione nucleare)
 1

Tutte le forme di vita sulla terra dipendono da
un reattore a fusione nucleare….
8
Il Sole!
9
Fusione nucleare nel Sole
10
Il Sole


Il sole e’ un esempio di un reattore
nucleare pulito.
Tutti i prodotti nucleari principali sono
stabile
11
L’uomo vorrebbe controllare i
proccessi energetici del sole!
12
Fusione Termonucleare
13
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)?
14
Fusione Nucleare



+ 3H  4He + n
+ 17.6 MeV
Questa reazione di
fusione e’
relativamente
probabile.
Ma il trizio e’ radioattivo e deve essere
fabbricato in reattori
a fissione nucleare.
2H
The Fusion Process
Collision
Fusion
15
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 ….
16
17
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
18
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 H2 attira 2 protoni
con un’energia di 20 eV equivalente ad
una temperatura di ~220000 OC !
Ma non e’ ancora sufficiente….
19
Alta Densita’

Invece di usare una plasma caldissima
che implica anche bassissima densita’
perche non cercare un ambiente
chimica appropriata?
20
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.
21
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.
22
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.
23
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.
24
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.
25
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.
26
Cosa dovremmo spiegare?




Quali sono le reazioni?
Caburanti?
Prodotti?
Come potremmo migliorarlo?
27
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.
28
Previsione del modello 1
(In vacuo)
H + 2H -> 3H + 1H + 4 MeV
 2
~50 %
H + 2H -> 3He + 1n + 3.3 MeV ~50 %
 2
H + 2H -> 4He +
 2

23.8 MeV ~10-5 %
La radiazione sarebbe letale!!!
29
Modello 1. Idrogeno ligero
H + 2H -> 4He +
23.8 MeV ~10-5
H + 1H -> 3He +
5.5 MeV ~107
 2
 2

Previsione: 1012 piu’ 3He che 4He !!!

Non verificato sperimentalmente!!
30
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)
31
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]
32
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.
33
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.
34
Obiezioni al modello


Non spiega perche’ la reazione
2H + 1H -> 3He + 5.5 MeV
non va!
Non spiega trasmutazioni
35
14
2
Number of atoms (/10 /cm )
Esperimento di Iwamura
Cs
D
Pd
Pd
CaO
Cs 1st
Pr 1st
Cs 2nd
Pr 2nd
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
Time (h)
100
120
36

37
Come si spiega?

Cs + 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!
 133


38
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?
39
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’
40
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.
41
Domande?
42
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.
43
44
45
46
Cella Elettrolitica del Prof.
Dash
47
Il circuito. 2 celle in serie.
(la stessa corrente)
48
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
49







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.
50
Le 2 celle a confronto
51
Compito
L’esperimento di Dash.

Perche’ si riducono le tensioni delle celle
con il passaggio del tempo?
52
Come si procede


Aggiustare le concentrazioni dell’acido
in modo che la cella ad acqua leggera
conduca di meno.
Con 2 celle in serie (stessa corrente) la
cella ad acqua pesante assorbe meno
potenza pero’ e’ piu’ calda!
53
Obiettivi





1) Dimostrare anche al pubblico in modo
molto semplice una produzione di calore.
2) Stimare la potenza erogata.
3) Produrre un film dello sperimento in modo
di poter insegnare come si fa.
4) Pubblicare un articolo nella stampa
scientifica (in inglese!!!)
Non si puo’ rilevare transmutazioni!
54
Le squadre di lavoro



1) Squadra chimica.
Responsabile delle celle elettrolitiche e
dei reagenti.
2) Squadra elettronica.
Responsabile dell’alimentazione e
dell’elaborazione dei dati.
3) Squadra cinematografica.
Responsabile del filmino.
55
Nel Laboratorio di Chimica
56
Squadra Chimica

Deve preparare l’acido solforico.

Pulire gli elettrodi e i contenitori.

Calibrare i termometri.

Assemblaggio.
57
Una
cella
58
59
Squadra Elettronica



1) Installare il software sul PC.
2) Acquisire il corrente e le tensioni
delle celle, e le temperature.
3) Elaborare le grafiche sull’andamento
nel tempo.
60
Acquisizione dati
61
Legando I fili al polistirolo
62
63
Squadra Cinematografica





Copione
Riprese
Editing
Integrazione
Produzione CD-ROM
64
il filmino
65
Come scoprire di piu’?






Chiedere una copia del CD-ROM
Film
La “ricetta” di Dash
Altre lezioni / incontri.
www.lenr-canr.org
www.iscmns.org
66
Come va persa l’energia
erogata al sistema?





1) Evaporazione
2) Dissociazione in H2 / D2 / O2
3) Convezione dell’aria
4) Conduzione attraverso il vetro
5) Radiazione termica verso
l’ambiente
67
Calcolo dell’eccesso di calore X






Supponiamo che l’aumento di Temperatura (T) con
rispetto a quella del ambiente Ta sia proporzionale
alle potenze aggiunte / tolte dal sistema.
I.V=Potenza elettrica (Corrente per Tensione)
H =Potenza evaporazione + dissociazione
Xe = Eccesso di potenza nella cella “sperimentale”
Te – Ta = K(I.Ve – He + Xe)
Tc – Ta = K(I.Vc – Hc)
[1]
[2]
68
Calcolo dell’eccesso di calore Xe




Te – Ta = K(I.Ve – He + Xe)
Xe = (Te – Ta)/K - I.Ve + He
[1]
[3]
Tc – Ta = K(I.Vc – Hc)
K = (Tc – Ta)/(I.Vc – Hc)
[2]
(una costante) nell’equazione [3]

[4]
Sostituendo
Xe = ((Te–Ta)/(Tc–Ta))*(I.Vc–Hc)-I.Ve+He
69
Le perdite di peso





Entalpia di formazione a 25oC
H2O (liquido) = -285.8 kJ mol-1
H2O (gas)
= -241.8 kJ mol-1
D2O (liquido) = -293.5 kJ mol-1
D2O (gas)
= -249.3 kJ mol-1
70
Risultati
Eseguiti quattro esperimenti:
Due non conclusi per cause tecniche
(rottura elettrodo, rottura cella exp);
Uno con dati rilevati non attendibili;
Uno in cui si è rilevato un anomalo
eccesso di calore nella cella exp.
a parità di potenza fornita (vedi grafico).

71
Grafico
72
Conclusioni






Il numero di tentativi effettuati è, per ora,
insufficiente.
Occorre perfezionare la metodologia dell’esecuzione,
data l’inesperienza.
Occorre una migliore strumentazione.
Notevole valore didattico dell’esperienza.
Notevole entusiasmo ed interesse da parte degli
studenti nell’esecuzione.
Si proseguiranno le esperienze fino ad ottenere una
soddisfacente percentuale di riproducibilità.
73
RINGRAZIAMENTI



Si ringrazia il Preside per la gentile
accoglienza ed il Prof. Campanelli per
la logistica.
I docenti del Liceo per la partecipazione
Gli studenti per la loro attenzione e…
pazienza!
74
Mass Excess / A
Variation of ME with A
for Some Stable Nuclides
ME amu
3
0.01
He
n
0.005
0.0
U
H
4
–0.005
He 12
C
Fe
Pb
75