Reazioni nucleari "terrestri"

La reazione nucleare a bassa energia scoperta da Rossi e Focardi costituisce la soluzione ottimale del principale problema del nostro tempo, quello dell’energia. Molti però sono ancora scettici. Il motivo è che fino a poco tempo fa tutti pensavano che fossero possibili solo le reazioni di fusione nucleare che hanno luogo all’interno delle stelle e che richiedono condizioni fisiche estreme, quelle che vengono prodotte negli acceleratori di particelle in condizioni altrettanto estreme, e i decadimenti radioattivi.
In realtà negli ultimi anni è stata dimostrata l’esistenza sulla Terra di reazioni nucleari innescate dalle forti scariche elettriche dei fulmini. Inoltre sono state scoperte alcune reazioni nucleari a bassa energia che possono essere facilmente riprodotte in laboratorio. Il progetto più avanzato, però, è quello di due ricercatori italiani che hanno messo a punto un piccolo reattore che produce energia in una forma sfruttabile, e che è già pronto ad entrare in produzione. E si tratta di una fonte di energia talmente pulita, sicura ed economica, che non se ne può nemmeno immaginare una migliore.
Nel momento in cui la più grave crisi del dopoguerra, scatenata proprio dall’aumento del prezzo del petrolio, sta devastando l’economia, tutti devono sapere di questa possibilità, anche per scongiurare il pericolo che degli interessi economici contrari possano impedire la messa in produzione di questa nuova fonte di energia.

Reazioni chimiche e reazioni nucleari
L’atomo è costituito da un nucleo piccolo e pesante fatto di protoni e di neutroni, intorno al quale orbitano degli elettroni. Ogni protone è portatore di una carica elettrica positiva, gli elettroni di una carica negativa, mentre il neutrone è privo di carica. In un atomo a riposo ci devono essere tanti protoni quanti elettroni, in modo che la carica elettrica complessiva sia nulla.
Nelle reazioni chimiche sono coinvolti solo gli elettroni e le loro cariche elettriche, mentre le reazioni nucleari avvengono a livello dei nuclei atomici (si chiamano così per questo). E’ proprio a causa del fatto che il nucleo dell’atomo non è influenzato dalle condizioni fisiche esterne (a meno che non siano quelle estreme presenti all’interno delle stelle), che gli scienziati pensavano che non fosse possibile innescare delle reazioni nucleari con piccole modifiche delle condizioni fisiche. L’unica possibilità, come avviene nelle centrali nucleari, era sfruttare i decadimenti radioattivi che avvengono spontaneamente in natura, e che possono anche essere provocati artificialmente.
Le reazioni nucleari sviluppano molta più energia di quelle chimiche, e i motivi sono due. Innanzi tutto gli elettroni sono soggetti alla forza elettromagnetica, mentre nelle reazioni nucleari entra in gioco la forza nucleare forte, che è 100 volte più potente. Ma il motivo principale è che nelle reazioni nucleari una parte della massa si annichila trasformandosi in energia. Questa è una grossa differenza rispetto alle reazioni chimiche, dove invece la massa si conserva sempre (legge di Lavoisier). Nelle reazioni nucleari vale invece la famosa formula di Einstein E = mc2 (dove “E” è l’energia, “m” la massa e “c” la velocità della luce).
Questa formula dice in pratica due cose. La prima è che a livello atomico e subatomico massa ed energia sono di fatto la stessa cosa o due aspetti della stessa realtà fisica, e che in particolari condizioni la materia può trasformarsi in energia e l’energia in materia. Quest’ultima situazione si verifica negli esperimenti degli acceleratori di particelle, dove alcune particelle vengono accelerate fino a velocità prossime a quelle della luce, e poi fatte scontrare tra di loro. Succede sempre che una parte dell’energia dello scontro si trasformi in nuove particelle di materia. Si ha la situazione inversa durante le reazioni di fissione nucleare (cioè nei decadimenti radioattivi) e nelle reazioni di fusione nucleare. In questi casi succede che una parte della materia si annichila, cioè scompare, trasformandosi in energia. Nelle reazioni chimiche e nei processi termodinamici vale il principio di conservazione dell’energia, oltre alla legge di conservazione delle masse e dei pesi di Lavoisier. Nelle reazioni nucleari invece vale il principio di conservazione più generale della massa – energia, dato che la massa si può trasformare in energia e l’energia in massa, ma la massa – energia si conserva.

La fusione nucleare
La seconda cosa importante che si ricava dalla formula di Einstein è che nella materia è incorporata tantissima energia, oppure che una piccola quantità di materia equivale a tantissima energia. Infatti se un chilogrammo di materia si trasformasse interamente in energia, questa sarebbe uguale a quella prodotta dall’esplosione di 20 milioni di tonnellate di tritolo. Ed è proprio a causa del fatto che c’è sempre della materia che si trasforma in energia, che nelle esplosioni atomiche, nelle centrali nucleari e nelle reazioni di fusione nucleare, di energia ne viene prodotta così tanta. Per esempio, nella reazione di fusione che avviene all’interno del Sole che trasforma quattro atomi di idrogeno in un atomo di elio, va perduto 1/120 della massa. E’ proprio questa massa che si trasforma in energia che alimenta il Sole e illumina e riscalda la Terra.
Nell’universo primigenio la materia era costituita per tre quarti di idrogeno ed un quarto di elio. Ben presto questi gas si sono aggregati in grandi masse fino a che sono state raggiunte al loro interno pressioni e temperature tali (almeno 7/8 milioni di gradi) da innescare questa prima reazione nucleare. Così sono nate le stelle. Per la sintesi degli elementi più pesanti fino al ferro sono necessarie temperature e pressioni via via più alte, e quindi stelle più grandi. Infine gli elementi più pesanti del ferro vengono sintetizzati nelle condizioni fisiche ancora più estreme delle esplosioni di supernova, con cui si conclude la vita di molte stelle.
Queste dunque sono le reazioni di fusione nucleare che avvengono in natura. Nei reattori a fusione in costruzione da quasi mezzo secolo si cerca di replicare la reazione che trasforma l’idrogeno in elio. Si tratta comunque di condizioni fisiche così estreme per noi terrestri che, più passa il tempo, più ci si rende conto dell’impossibilità di tenerle sotto controllo (Vedi per esempio l’articolo di LeScienze “La falsa partenza della fusione” del mese di maggio 2010).

I decadimenti radioattivi
E poi ci sono i decadimenti radioattivi, che avvengono spontaneamente e non sono influenzati dalle condizioni fisiche esterne. Essi sono dovuti all’instabilità di certi atomi o dei loro nuclei, e sono tanto più probabili quanto più questi sono pesanti, cioè quanto maggiore è il numero dei protoni e dei neutroni di cui sono fatti. Tant’è vero che tutti gli elementi più pesanti (dal Polonio fino all’Uranio) sono radioattivi. Inoltre non esistono in natura elementi più pesanti dell’Uranio, perché essi sono talmente instabili che decadono immediatamente. Sono instabili e decadono anche molti isotopi, anche di elementi leggeri. Gli isotopi sono atomi che hanno lo stesso numero di protoni, e almeno un neutrone in più. Essi hanno quindi nella tavola periodica la stessa posizione e lo stesso numero atomico, ma peso un po’ maggiore. Alcuni elementi possono essere resi radioattivi, come avviene nelle centrali nucleari, bombardandoli con neutroni, che vengono rallentati in modo che possano essere più facilmente catturati dal nucleo di questi atomi in modo da renderli instabili.
Normalmente durante i decadimenti vengono emesse tre tipi di radiazioni: la radiazione alfa, costituita da nuclei di elio (due protoni e due neutroni); la radiazione beta, costituita da elettroni molto veloci; e la radiazione gamma, costituita da fotoni ad alta energia. In particolare la radiazione alfa cambia il numero atomico, e quindi trasforma quel dato elemento in uno più leggero.
Fino a poco tempo fa gli scienziati pensavano che tutte le reazioni nucleari dovessero rientrare in queste categorie. Però adesso la situazione sta cambiando, perché ci si è accorti che alcune reazioni nucleari possono essere innescate da particolari condizioni fisiche normalmente presenti sulla Terra.
Negli ultimi anni si è scoperto che nubi temporalesche, varie specie di fulmini e anche scintille elettriche prodotte in laboratorio sono in grado di generare radiazioni ad alta energia e particelle di antimateria. Nelle nubi temporalesche, e tra le nubi e il suolo, le differenze di potenziale da cui nascono i fulmini possono superare i 100 milioni di volt. Quando il campo elettrico è abbastanza forte, come succede spesso nei temporali tropicali, gli elettroni possono essere accelerati fin quasi alla velocità della luce e, urtando contro i nuclei atomici delle molecole dell’aria, li inducono ad emettere raggi gamma. A loro volta i fotoni altamente energetici dei raggi gamma possono interagire con altri nuclei atomici e produrre delle coppie elettrone / positrone. Infatti sono stati osservati, sia dallo spazio che da terra, lampi di raggi gamma accompagnati dall’emissione di positroni o antielettroni, cioè di antimateria. Inoltre i temporali spesso emettono una luminosità di raggi gamma continua a energie relativamente basse (vedi l’articolo su LeScienze “Raggi gamma dalle nuvole” del mese di ottobre 2012). Anche il satellite italiano AGILE ha osservato questi lampi di raggi gamma, e ha scoperto che il loro spettro di energia si estende fino a 100 milioni di mega elettronvolt, una intensità enorme che sarebbe sorprendente persino se provenisse dai brillamenti solari (vedi l’articolo su LeScienze del mese di aprile 2013).

La fusione fredda di Fleishman e Pons
E’ molto importante avere dimostrato l’esistenza di reazioni nucleari diverse da quelle che avvengono nelle stelle, perché questo significa che non bisogna necessariamente replicare le condizioni fisiche estreme presenti al loro interno. Ma ancora più importante è riuscire ad individuare delle reazioni nucleari, diverse dai decadimenti radioattivi, che possano essere tenute facilmente sotto controllo in modo da sfruttarne l’energia.
Due scienziati, Martin Fleischmann e Stanley Pons, annunciarono 25 anni fa durante una conferenza stampa di avere scoperto una reazione nucleare a bassa energia, da loro chiamata “fusione fredda”, in grado di produrre molta più energia di quella assorbita.
I due scienziati, invece che da quattro protoni, erano partiti da due atomi di deuterio, un isotopo dell’idrogeno. Poiché quello che si vuole ottenere è un nucleo di elio costituito da due protoni e due neutroni, è evidente che è meglio partire da due atomi di deuterio (un protone e un neutrone ciascuno) anziché da quattro atomi di idrogeno. Hanno usato una cella elettrolitica con un anodo di platino ed un catodo di palladio (nelle versioni successive il platino e il palladio sono stati sostituiti dal tungsteno). Facendo passare la corrente elettrica gli elettroni sono attratti dall’anodo, mentre i nuclei elettricamente positivi del deuterio si dirigono verso il catodo. I nuclei di deuterio si ammassano sul catodo fino al punto che alcuni di essi si uniscono per dare origine ad atomi più pesanti. Gli atomi che partecipano alla reazione sono molto pochi: solo uno ogni centinaia di miliardi di miliardi ogni secondo. Se le condizioni fisiche sono state correttamente calibrate, questo però è sufficiente a far sì che intorno al catodo la materia si riscaldi e si infiammi, e venga prodotta una quantità di calore dieci volte maggiore di quella immessa nel sistema sotto forma di energia elettrica.
Nel giro di qualche mese, però, diversi autorevoli scienziati e centri di ricerca fecero dichiarazioni pubbliche per screditare la fusione fredda. Eppure dopo di allora questo stesso esperimento è stato replicato infinite volte in laboratori di tutto il mondo. Non solo in centri di ricerca universitari, ma persino, in Italia, nel laboratorio di qualche istituto tecnico di scuola superiore. Da ultimo il MIT, il famoso istituto di ricerca americano che 25 anni fa aveva dichiarato che la fusione fredda era una bufala, ora organizza convegni scientifici proprio su questo argomento. Oggi quindi nessuno può più affermare che la fusione fredda non funziona.

La reazione nucleare a bassa energia di Rossi e Focardi
La reazione di Fleischmann e Pons però non si presta ad essere sfruttata per produrre energia, perché non è stato trovato il modo di asportare in maniera efficiente il calore che viene prodotto. Ad individuare un’altra reazione nucleare a bassa energia che invece può essere sfruttata a questo scopo sono stati due scienziati italiani, Andrea Rossi e Sergio Focardi, che hanno anche messo a punto un reattore chiamato Energy catalizer, abbreviato E-cat.
L’E-cat è un dispositivo molto piccolo. La camera dove avviene la reazione è grande quanto un pacchetto di sigarette. C’è una cartuccia sostituibile che contiene pochi grammi di idrogeno e di nichel finemente polverizzato. Nel reattore c’è anche un’altra sostanza che fa da catalizzatore, la cui natura non è stata resa nota, e che dà il nome al reattore. L’E-cat deve essere collegato con una spina alla rete elettrica, e nella fase di accensione che dura un’ora assorbe poco meno di 3 kw. Una volta acceso deve rimanere collegato alla rete elettrica, e durante il funzionamento assorbe alcune decine di watt per la gestione e il controllo del processo.
Al suo interno ha luogo una reazione nucleare che fonde il nichel con l’idrogeno per dare origine ad atomi di rame. Quando verrà reso noto il catalizzatore e altri scienziati potranno replicare questa reazione, si potrà forse sapere qualcosa di più su questa reazione. Quello che conta, però, è che l’E-cat funziona e produce energia in una forma sfruttabile. L’energia viene prodotta sotto forma di radiazione gamma, che è una radiazione elettromagnetica della stessa natura della radiazione luminosa, ma più energetica, un po’ più energetica dei raggi x. I raggi gamma, così come i raggi x, danneggiano i tessuti biologici, ma è sufficiente una barriera a base di piombo per schermare completamente questa radiazione, che si trasforma così in calore. L’E-cat produce energia termica per una potenza di 10 kw, più che sufficiente per riscaldare un appartamento di 100 metri quadrati. La carica di una cartuccia dura più di sei mesi, ma durante tutto questo tempo solo qualche centesimo di grammo di idrogeno e nichel partecipa alla reazione, e una quantità molto più piccola si annichila trasformandosi in energia. Il calore viene prodotto alla temperatura di 400 C°, adatta a scaldare del vapore per produrre elettricità in modo convenzionale. Sono già stati realizzati alcuni prototipi di centrali elettriche da 1 MW, e c’è un progetto industriale pronto a partire.
Queste centrali sono completamente pulite, perché non producono alcun residuo chimico, e anche completamente sicure. Non ci sono sostanze radioattive, e non vengono prodotte né radioattività né scorie pericolose. Inoltre questa reazione non può nemmeno sfuggire al controllo, perché se aumentasse la temperatura ben preso le particelle che costituiscono la polvere di nichel comincerebbero ad aggregarsi, fermando la reazione. Questi impianti quindi, piccoli puliti e sicuri, potranno essere localizzati vicino ai luoghi di consumo o distribuiti nel tessuto urbano, con tutti i vantaggi della produzione elettrica distribuita, che comprende anche la possibilità di usare l’acqua che è servita per il raffreddamento per scaldare case e uffici.
Ma come fa questo piccolo dispositivo a “creare” dell’energia? Ne mettiamo una piccola quantità in questa scatola, e la vediamo moltiplicarsi per 30 volte. Sembra quasi una magia. E famoso il principio di conservazione? Anche chi non ha studiato fisica, infatti, sa per esperienza che l’energia non si crea e non si distrugge. Come può avvenire un simile miracolo?
Si è visto sopra che le leggi di conservazione sono sempre rispettate, e che in questo caso vale il principio di conservazione della massa – energia. Se sembra una magia è solo perché l’energia che viene prodotta è molto visibile, mentre la quantità materia che si annichila (trasformandosi in questa stessa energia) è talmente piccola da risultare praticamente invisibile.
In definitiva oggi abbiamo a disposizione una nuova fonte di energia di cui non se ne può nemmeno immaginare una migliore, completamente pulita e sicura e anche molto economica, perché viene meno quasi del tutto il costo del combustibile. Non ci sarà più bisogno di importare energia, non ci sarà più la dipendenza energetica, non ci sarà più la bolletta petrolifera pari a 4 o 5 punti di PIL, che soffoca l’economia e che è la causa principale della crisi. Ed è importante che tutti lo sappiano, perché gli interessi economici che già in passato hanno screditato la prima reazione di fusione fredda, stanno di nuovo cercando di impedire che l’E-cat venga messo in produzione. L’opinione pubblica, il mondo dell’economia e quello della politica non possono più disinteressarsi di questa scoperta.

Ferrara, 1 maggio 2014