La fusione nucleare persiste a energie ultra-basse all'interno di lamine metalliche / Nuclear fusion persists at ultralow energies inside metal foils

 La fusione nucleare persiste a energie ultra-basse all'interno di lamine metalliche / Nuclear fusion persists at ultralow energies inside metal foils

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I nuclei di deuterio sparati contro sottili lamine di palladio e titanio continuano a fondersi anche quando l'energia incidente dei nuclei viene ridotta al livello in cui il processo dovrebbe essere quasi completamente estinto. Invece, i fisici statunitensi hanno scoperto che, al diminuire dell'energia incidente, il tasso di fusione si stabilizza, persino alle energie più basse esplorate. In effetti, il tasso di fusione a bassa energia supera di oltre 10¹⁸ le previsioni per i nuclei isolati . Pur essendo significativi, i tassi di fusione aumentati rimangono di gran lunga troppo bassi per la produzione di energia.

Secondo i ricercatori dell'Università della California, Davis e del Lawrence Berkeley National Laboratory, i risultati suggeriscono che gli elettroni ed i difetti interni di un metallo possono influenzare il modo in cui avviene la fusione.

La fusione nucleare alimenta le stelle, ma qui sulla Terra finora è stato impossibile creare un reattore a fusione pratico in grado di fornire energia utilizzabile alla rete elettrica.

"La fusione è difficile in laboratorio perché i nuclei positivi si respingono a vicenda", spiega Thomas Schenkel, membro del gruppo di Berkeley. La meccanica quantistica offre una scappatoia: i nuclei possono attraversare per effetto tunnel la barriera repulsiva senza avere sufficiente energia cinetica per superarla. Tuttavia, la probabilità di effetto tunnel è molto bassa a basse energie.

Non svanire

I fisici misurano queste energie di collisione nucleare in kiloelettronvolt (keV). I reattori a fusione odierni tendono a far funzionare i plasmi a temperature che corrispondono a energie di collisione di circa 10 keV. Al di sotto di tale valore, le reazioni si attenuano, e precedenti esperimenti hanno dimostrato che la fusione si arresta praticamente intorno ai 5 keV.

Eppure, un solido è un ambiente molto diverso da un plasma. "I reticoli metallici contengono elettroni, difetti e deuterio localmente concentrato, tutti elementi che possono combinarsi per creare ambienti di reazione che non esistono in un plasma convenzionale", afferma Jeremy Munday, che insieme a Micah Karahadian lavora presso l'UC Davis. La nube elettronica del metallo scherma parzialmente la repulsione tra i nuclei, permettendo loro di avvicinarsi maggiormente. Questo effetto di "schermatura" è stato studiato fin dagli anni '90 e non è ancora del tutto compreso. Il settore porta ancora i segni del fallimento della fusione fredda del 1989, durante il quale gli esperimenti che riportavano tassi di fusione più elevati nei solidi a temperatura ambiente non poterono essere riprodotti.

Schenkel e Munday si sono avvicinati a questo campo negli anni 2010, partecipando ad un progetto finanziato da Google che ha riesaminato le affermazioni del 1989. Il programma non ha trovato prove della fusione a temperatura ambiente, ma ha gettato le basi per la loro attuale collaborazione.

Reattore a membrana

L'apparato del gruppo posiziona una lamina metallica, spessa un quarto di millimetro, tra due ambienti molto diversi. "Il cuore del nostro sistema sperimentale è un tipo di reattore a membrana che combina una cella elettrochimica con un fascio di ioni di deuterio", spiega Schenkel. Da un lato, un processo elettrochimico – "simile in linea di principio alla ricarica di una batteria", afferma Munday – spinge il deuterio nel metallo da un liquido. Dall'altro lato, nel vuoto, un fascio di ioni di deuterio colpisce la stessa lamina, seppellendosi a pochi milionesimi di millimetro sotto la superficie.

Ogni evento di fusione emette un protone od un neutrone veloce, che viene rilevato da due rivelatori indipendenti. "Il rilevamento indipendente di questi prodotti, insieme a numerose misurazioni di fondo e di controllo, ci ha dato la certezza che i segnali provenissero dalla fusione", afferma Munday.

Quando il gruppo ha ridotto l'energia incidente, è rimasto sorpreso. "Abbiamo osservato il ben noto calo esponenziale del tasso, ma poi i tassi non sono più diminuiti, bensì si sono stabilizzati man mano che diminuivamo ulteriormente l'energia degli ioni", afferma Schenkel. Il plateau è apparso al di sotto di circa 2 keV in entrambi i metalli e l'aggiunta di deuterio per via elettrochimica ha praticamente raddoppiato la resa.

"Si tratta di un enorme miglioramento relativo, sebbene il tasso di fusione assoluto rimanga di gran lunga troppo basso per la produzione di energia", sottolinea Munday. "Il significato immediato del nostro lavoro risiede quindi nella scoperta di un nuovo regime fisico in cui il materiale influenza attivamente la reazione nucleare, piuttosto che nella dimostrazione di una fonte di energia pratica."

Conferma benvenuta

Konrad Czerski, professore di fisica nucleare e medica all'Università di Stettino, in Polonia, considera il risultato una gradita conferma. "Lo studio di Berkeley rappresenta una conferma indipendente dell'effetto riscontrato dal nostro gruppo di ricerca oltre due anni fa nell'ambito del progetto europeo CleanHME ", afferma. Il suo gruppo ha osservato un plateau simile in zirconio, palladio e titanio con una tecnica diversa. I risultati relativi al palladio dei due gruppi concordano bene, osserva, ma i dati relativi al titanio differiscono.

Czerski non è convinto dalla spiegazione del gruppo americano, che attribuisce il plateau ad uno schermaggio insolitamente forte nello strato superficiale danneggiato della lamina. Le misurazioni del suo gruppo, sostiene, "dimostrano inequivocabilmente che il plateau di resa deriva dalla fusione del deuterio a energie termiche ordinarie e che l'energia di schermaggio non cambia".

Il disaccordo sottolinea quanto resti ancora da scoprire in questo campo. "Il passo successivo più importante è identificare l'origine microscopica del plateau a bassa energia", afferma Munday. Ciò implicherebbe chiarire i ruoli dello schermaggio, del danneggiamento superficiale e del modo in cui il deuterio si muove e viene intrappolato nel metallo. Il gruppo statunitense vuole anche verificare se la luce o le vibrazioni cristalline possano influenzare la velocità di reazione. Le applicazioni a breve termine, suggerisce, potrebbero includere sorgenti di neutroni compatte anziché reattori.

Czerski ha una visione più audace per il futuro. "Le configurazioni sperimentali ed i risultati ottenuti possono dare il via ad un nuovo campo di ricerca incentrato sui materiali e sul miglioramento dell'effetto di schermatura degli elettroni nelle reazioni nucleari", afferma, un campo che "potrebbe infine portare ad applicazioni commerciali e persino, potenzialmente, alla costruzione di una nuova fonte di energia"

ENGLISH

Deuterium nuclei fired into thin foils of palladium and titanium keep fusing when the nuclei’s incident energies are reduced to the level where the process should be all but extinguished. Instead, physicists in the US have found that as the incident energy is reduced, the fusion rate plateaus – even at the lowest energies probed. Indeed, the low-energy fusion rate exceeds predictions for isolated nuclei by more than 1018. While significant, the enhanced fusion rates remain far too small for energy generation.

The results suggest that a metal’s electrons and internal defects can influence how fusion occurs, according to the researchers at the University of California, Davis and Lawrence Berkeley National Laboratory

Nuclear fusion powers the stars, but here on Earth it has so far been impossible to create a practical fusion reactor that delivers usable energy to the electricity grid.

“Fusion is hard in the laboratory because positive nuclei repel each other,” explains team member Thomas Schenkel at Berkeley. Quantum mechanics offers a loophole – nuclei can tunnel through the repulsive barrier without having enough kinetic energy to overcome it. However, the tunnelling probability is very small at low energies.

Not fade away

Physicists measure these nuclear collision energies in kiloelectronvolts (keV). Today’s fusion reactors tend to operate plasmas at temperatures that correspond to collision energies of about 10 keV. Below that, reactions fade away, and earlier experiments showed that fusion pretty well stopped  near 5 keV.

Yet a solid is a very different environment to a plasma. “Metal lattices contain electrons, defects, and locally concentrated deuterium, all of which can combine to create reaction environments that do not exist in a conventional plasma,” says Jeremy Munday who along with Micah Karahadian is based at UC Davis . The metal’s electron cloud partly shields the repulsion between nuclei, letting them approach more closely. This “screening” effect has been studied since the 1990s and is still not fully understood. The field also carries the scars of the 1989 cold-fusion debacle, during which experiments reporting enhanced fusion rates in solids at room temperature could not be reproduced.

Schenkel and Munday came to this field in the 2010s as participants in a Google-funded effort that revisited the 1989 claims. The programme found no evidence for room-temperature fusion, but it seeded their current collaboration.

Membrane reactor

The team’s apparatus places a metal foil, a quarter of a millimetre thick, between two very different environments. “At the heart of our experimental setup is a type of membrane reactor that combines an electrochemical cell with a deuterium ion beam,” says Schenkel. On one side, an electrochemical process – “similar in principle to charging a battery,” says Munday – pushes deuterium into the metal from a liquid. On the other side, in vacuum, a beam of deuterium ions strikes the same foil, burying itself just a few millionths of a millimetre below the surface.

Each fusion event spits out a fast proton or neutron, caught by two independent detectors. “Detecting these products independently, along with extensive background and control measurements, gave us confidence that the signals came from fusion,” Munday says.

As the team reduced the incident energy, they were surprised. “We observed the well-known exponential rate drop, but then the rates did not drop anymore but rather plateaued as we further decreased the ion energy,” says Schenkel. The plateau appeared below about 2 keV in both metals, and loading extra deuterium electrochemically roughly doubled the yield.

“This is an enormous relative enhancement, although the absolute fusion rate remains far too small for energy production,” Munday stresses. “The immediate significance of our work is therefore the discovery of a new physical regime in which the material actively influences the nuclear reaction, rather than the demonstration of a practical energy source.”

Welcome corroboration

Konrad Czerski, professor of nuclear and medical physics at the University of Szczecin, Poland, sees the result as welcome corroboration. “The Berkeley study represents an independent confirmation of the effect found by our research group over two years ago within Europe’s CleanHME project,” he says. His team saw a similar plateau in zirconium, palladium and titanium with a different technique. The palladium results of the two groups agree well, he notes, but the titanium data differ.

Czerski is not persuaded by the American team’s explanation, which attributes the plateau to unusually strong screening in the foil’s damaged surface layer. His group’s measurements, he argues, “demonstrate unambiguously that the yield plateau arises from fusion of deuterium at ordinary thermal energies, and the screening energy doesn’t change.”

The disagreement underlines how much remains open in the field. “The most important next step is to identify the microscopic origin of the low-energy plateau,” says Munday. This would involve untangling the roles of screening, surface damage and the way deuterium moves and gets trapped in the metal. The US team also wants to test whether light or crystal vibrations can affect the reaction rate. Near-term applications, he suggests, might include compact neutron sources rather than reactors.

Czerski has a bolder vision for the future. “The experimental setups and the results obtained can launch a new research field focused on materials and enhancing the electron screening effect in nuclear reactions,” he says – one that “can finally lead to commercial applications, and even possibly to construction of a new energy source.”

Da:

https://physicsworld.com/a/nuclear-fusion-persists-at-ultralow-energies-inside-metal-foils/?nbd_source=3833891