1 introduzione alla fusione fredda liceo edoardo amaldi 26 febbraio 2005 william j m f collis...
TRANSCRIPT
1
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
2
Scienza di FrontieraLe 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
3
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
4
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
5
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.
6
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.
7
Isotopi di Idrogeno
1H (prozio) 99.975%
2H (deuterio) 0.015%
3H (trizio) radioattivo
8
Fusione Nucleare Reazioni nucleari producono millioni di volte
piu’ energia di una reazione chimica.
H + H -> H2 + 4.5 eV (reazione chimica)
1H + 1H -> 2H + 1.44 MeV (fusione nucleare)
Tutte le forme di vita sulla terra dipendono da un reattore a fusione nucleare….
9
Il Sole!
10
Fusione nucleare nel Sole
11
Il Sole
Il sole e’ un esempio di un reattore nucleare pulito.
Tutti i prodotti nucleari principali sono stabile
12
L’uomo vorrebbe controllare i proccessi energetici del sole!
13
Fusione Termonucleare
14
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)?
15
Fusione Nucleare
2H + 3H 4He + n + 17.6 MeV
Questa reazione di fusione e’ relativamente probabile.
Ma il trizio e’ radio-attivo e deve essere fabbricato in reattori a fissione nucleare.
The Fusion Process
Collision
Fusion
16
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 ….
17
18
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
19
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….
20
Alta Densita’
Invece di usare una plasma caldissima che implica anche bassissima densita’ perche non cercare un ambiente chimica appropriata?
21
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.
22
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.
23
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.
24
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.
25
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.
26
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.
27
Cosa dovremmo spiegare?
Quali sono le reazioni? Caburanti? Prodotti? Come potremmo migliorarlo?
28
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.
29
Previsione del modello 1(In vacuo)
2H + 2H -> 3H + 1H + 4 MeV ~50 %
2H + 2H -> 3He + 1n + 3.3 MeV ~50 %
2H + 2H -> 4He + 23.8 MeV ~10-5 %
La radiazione sarebbe letale!!!
30
Modello 1. Idrogeno ligero 2H + 2H -> 4He + 23.8 MeV ~10-5
2H + 1H -> 3He + 5.5 MeV ~107
Previsione: 1012 piu’ 3He che 4He !!!
Non verificato sperimentalmente!!
31
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)
32
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]
33
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.
34
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.
35
Obiezioni al modello
Non spiega perche’ la reazione 2H + 1H -> 3He + 5.5 MeV non
va!
Non spiega trasmutazioni
36
Esperimento di Iwamura
0 20 40 60 80 100 120
02468
10121416
Cs 1st Pr 1st Cs 2nd Pr 2nd
Num
ber
of a
tom
s (/
1014
/cm
2 )
Time (h)
D
Cs
PdCaOPd
37
38
Come si spiega? 133Cs + 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!
39
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?
40
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’
41
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.
42
Domande?
43
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.
44
45
46
47
Cella Elettrolitica del Prof. Dash
48
Il circuito. 2 celle in serie.(la stessa corrente)
49
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
50
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.
51
Le 2 celle a confronto
52
Compito
L’esperimento di Dash.
Perche’ si riducono le tensioni delle celle con il passaggio del tempo?
53
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!
54
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!
55
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.
56
Nel Laboratorio di Chimica
57
Squadra Chimica
Deve preparare l’acido solforico.
Pulire gli elettrodi e i contenitori.
Calibrare i termometri.
Assemblaggio.
58
Una cella
59
60
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.
61
Acquisizione dati
62
Legando I fili al polistirolo
63
64
Squadra Cinematografica
Copione Riprese Editing Integrazione Produzione CD-ROM
65
il filmino
66
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
67
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
68
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) [1] Tc – Ta = K(I.Vc – Hc) [2]
69
Calcolo dell’eccesso di calore Xe
Te – Ta = K(I.Ve – He + Xe) [1] Xe = (Te – Ta)/K - I.Ve + He [3]
Tc – Ta = K(I.Vc – Hc) [2] K = (Tc – Ta)/(I.Vc – Hc) [4] Sostituendo K
(una costante) nell’equazione [3]
Xe = ((Te–Ta)/(Tc–Ta))*(I.Vc–Hc)-I.Ve+He
70
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
71
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).
72
Grafico
73
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.
74
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!
75
Mass Excess / AVariation of ME with A
for Some Stable NuclidesME amu
0.01
0.005
0.0
–0.005
A
H
3He
4He12C
FePb
U
n