Centrale A Fusione Nucleare_zitelli Francesco

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^SB

ITIS “F. Severi” A.S. 2008/09

ZITELLI FRANCESCO

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE

Presentazione Una delle questioni più pressanti per l’umanità in questo secolo è l’approvvigionamento energetico. L’energia alimenta il nostro mondo, è essenziale per ogni attività umana. La richiesta di energia è aumentata in modo esponenziale negli ultimi 50 anni, incremento dovuto anche alla domanda crescente degli Stati emergenti (primi fra tutti Brasile, Russia, India e Cina – il cosiddetto BRIC). Di fronte ad uno sviluppo industriale e tecnologico basato principalmente sull’utilizzo di combustibili fossili (petrolio, gas, carbone) iniziano a manifestarsi i primi effetti collaterali di uno sfruttamento incontrollato delle risorse del pianeta: effetto serra, inquinamento, piogge acide sono solo alcune delle conseguenze dello sviluppo industriale moderno. Di fronte a questi problemi di portata globale, appare indispensabile proteggere l’ambiente per non distruggere il nostro pianeta. I combustibili fossili sono fonti di energia con un’alta resa,basso costo, facilmente trasportabili e indispensabili per la produzione di plastiche e medicine, ma non sono rinnovabili, sono destinati ad esaurirsi. È necessario quindi continuare a sviluppare fonti energetiche alternative, che si dividono in rinnovabili (solare, eolico, biomasse, etc.) e nucleare (fissione e fusione). In un futuro la fusione nucleare offrirà l’accesso ad una fonte energetica pressoché illimitata, sicura e libera da emissioni di CO2. Nella foto: vista dell’interno di JET - Joint European Tokamak Torus - a Culham, UK

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Sommario Presentazione ................................................................................................................................ ................................ ................................................ 1 Principi della fusione nucleare ................................................................................................ ................................ ...................................................... 4 Il confinamento magnetico ................................................................................................ ................................ ........................................................... 6 Il Tokamak................................................................ ................................................................................................ ...................................................... 8 La centrale a fusione................................................................................................................................ ................................ ...................................... 9 Il cammino della fusione verso la commercializzazione................................................................ .............................................. 11 Fonti: bibliografia e sitografia................................................................................................ ................................ .......................................................... 12

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Principi della fusione nucleare La fusione nucleare consiste nella formazione di nuclei pesanti da nuclei più leggeri: riuscendo ad avvicinare i nuclei di due atomi leggeri è possibile ottenere elementi con numero atomico maggiore. Da questa reazione si libera un enorme quantitativo di energia, prima concentrata nella massa che costituisce la materia dei reagenti: reagenti il principio di Einstein

permette di spiegare l’origine dii questa energia, la stessa che alimenta le stelle. Secondo il principio di Einstein la massa dei reagenti è maggiore di quella dei prodotti: questo difetto di massa si è trasformato in energia secondo il principio di Einstein. Anche le reazioni chimiche presentano un difetto di massa,, ma talmente piccolo da essere difficilmente misurabile. misurabile Quello delle reazioni nucleari non è trascurabile e produce un’ enorme quantità di energia. energia Questa , sotto forma di energia cinetica, già ora viene utilizzata nei reattori a fissione per produrre ingenti quantità di energia elettrica. Per capire i principi della fusione, prendiamo rendiamo come esempio la reazione di fusione tra Deuterio e Trizio, Trizio reazione che avviene anche all’interno delle stelle e risulta essere la più promettente a scopo economico sulla Terra:

I nuclei di Deuterio e Trizio, due isotopi dell’Idrogeno, se dotati di sufficiente energia cinetica fondono in un unico nucleo di Elio che dotato di 3.5 mega elettronvolt (MeV) ( di energia cinetica (circa il 20% dell’energia totale ottenuta dalla reazione) e producono un neutrone che possiede 14.1 MeV (il rimanente 80% del totale). totale) Abbiamo calcolato l'energia prodotta in elettronvolt (eV): l'elettronvolt 'elettronvolt è l'energia acquisita da un elettrone (che ha carica elettrica Qe= -1.6021*10-19 C, ovvero carica opposta a quella del protone Qp) accelerato da una differenza di potenziale di 1V:

1eV = 1.6021*10-19 1.6021*10 J Quindi l'energia prodotta dalla reazione considerata, 17.1 MeV (milioni di elettronvolt), elettronvolt) è pari a 2.74*10-12 J,, di cui 2.2*10-12 J (80%) associati al neutrone e i rimanenti 0.54*10-12 J (20%) alla particella alfa (nucleo di Elio). Bisogna tenere presente che avvicinare due nuclei, entrambi carichi positivamente, è un’operazione difficile perché ostacolata dalla repulsione elettrostatica tra due particelle dotate della stessa carica definita dalla legge di Coulomb:

Figura 1 Legge di Coulomb

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quantità di energia per niente trascurabile. trascurabile Riscaldando gli atomi di Deuterio e Trizio questi acquistano o un’energia cinetica definita dalla relazione:

dove: •

kB è la costante di Boltzmann;

Figura 2 Barriera di Coulomb

•

I nuclei di Deuterio e Trizio tendono quindi a respingersi con una forza tanto maggiore quanto minore è la distanza che li separa. La fusione diventa possibile solo quando la distanza fra i due nuclei è inferiore a 1,4*10 *10-15 m, ovvero quando superano la Barriera arriera di Coulomb: Coulomb in questo caso l’interazione interazione nucleare forte (la forza nucleare che permette ai protoni di rimanere uniti nel nucleo e impedendo la disgregazione degli atomi più pesanti), prevale sulla repulsione Coulombiana e si ottiene la fusione dei due nuclei con la liberazione di una quantità di energia uguale a il difetto di massa Δm moltiplicato per la velocità di propagazione della luce elevata alla seconda c2. Nella nostra reazione:

•

è il valore medio dell'energia cinetica di una molecola del d gas; T è la temperatura assoluta.

Per raggiungere un’ energia di 280 KeV dobbiamo portare gli atomi di Deuterio e Trizio ad una temperatura di almeno 230 milioni di °C, che espressa in elettronvolt, corrisponde a 20 KeV. Si noti che quest’ultima energia, benché tanto elevata, è comunque 14 volte inferiore all’energia della Barriera di Coulomb, Coulomb di 280 KeV.

Massa Atomica (g) Deuterio

3.3432*10 2*10-24

Trizio

5.0066*10-24

Somma reagenti 8.3498*10-24 Elio

6.6443*10-24

neutrone

1.6749*10-24

Somma prodotti 8.3192*10-24 Difetto di massa 0.0306*10-24 E = ∆m * c2 = (0.0306*10-27 kg) g) * (3*108 m/s)2 = -12 2.74*10 J = 17.1 MeV V Per fondere i due nuclei dobbiamo fornirgli fornir prima una quantità di energia sufficiente ad a avvicinarsi alla distanza di 1,4*10-15 m: 280 KeV, KeV una

Figura 3 distribuzione di Maxwell-Boltzmann Maxwell

Infatti, poiché la temperatura è correlata con l’energia cinetica media delle particelle, esiste comunque una frazione adeguata di nuclei di Deuterio e Trizio che hanno un’energia superiore alla Barriera di Coulomb, Coulomb e che quindi possono fondere (distribuzione distribuzione di Maxwell – Boltzmann).. Occorre notare che per trattare con temperature di questo ordine di grandezza è stato introdotto l’elettronvolt elettronvolt come unità di misura della temperatura, utilizzando la seguente relazione: 1 eV = 11605 K

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La materia a queste alte temperature si presenta allo stato di plasma, il quarto stato della materia. Se continuiamo a riscaldare un gas questo passa allo stato di plasma, in cui le molecole sono dissociate in atomi e gli atomi di Deuterio e Trizio sono in massima parte ionizzati, ovvero i nuclei sono separati dagli elettroni. Sulla Terra la materia si presenta allo stato di plasma in particolari situazioni caratterizzati da specifici rapporti tra temperatura e densità: ad esempio nelle fiamme, nelle torce di saldatura, nei jet degli aerei, negli schermi al plasma. Altri esempi di plasmi in natura sono i fulmini e le aurore boreali.

campi elettrici e magnetici al plasma da fusione è quindi di fondamentale importanza per realizzare la tecnologia che sta alla base di una centrale a fusione nucleare. In questo caso si parla di confinamento magnetico. Esistono altri tipi di confinamento del plasma: il confinamento gravitazionale nel Sole e nelle Stelle, e il confinamento inerziale che, a differenza del confinamento magnetico, ha forti implicazioni militari a causa dei potenti laser che sono necessari per la sua realizzazione. Ci soffermeremo soltanto sul confinamento magnetico che ha soltanto scopi pacifici e non potrà essere utilizzato per scopi bellici.

Il confinamento magnetico Un plasma costituito in massima parte da atomi ionizzati è quindi sensibile ad un campo magnetico. La legge di Lorentz

dove: Il plasma è quindi una miscela di ioni, di elettroni e di atomi neutri, che a differenza dei gas (composti quasi esclusivamente di particelle neutre) è manipolabile attraverso l’applicazione di campi elettrici e magnetici. Date le sue particolari caratteristiche fisiche (temperatura e densità) il plasma risulta molto difficile da trattare: il semplice impatto di un plasma molto caldo contro una qualsiasi superficie raffredderebbe il plasma e rischierebbe di deteriorare il materiale della superficie. Lo studio dell’applicazione di

• •

Fl è la forza che agisce sulla carica q nel campo B q è la carica della particella che entra nel campo magnetico

•

è la velocità della particella

•

è il vettore del campo magnetico

definisce la forza che agisce su una carica q che si muove con velocità (nel nostro caso dipendente dalla temperatura del plasma) in un campo magnetico . La forza di Lorentz ha direzione perpendicolare sia alla direzione della velocità della particella che alla direzione del campo magnetico e non modifica la velocità iniziale.

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Figura 4 Legge di Lorentz

Per il 2° principio della dinamica la forza di Lorentz produce un'accelerazione, che ha il suo stesso verso e direzione. Essendo la forza sempre perpendicolare al campo B e alla velocità , l'accelerazione è centripeta e possiamo scrivere che:

Semplificando, si ottiene il raggio della circonferenza percorso dalla particella carica che entra nel campo B con una velocità :

Si evince che i nuclei di Deuterio e Trizio avranno una circonferenza di raggio maggiore a quello degli elettroni e anche senso di rotazione opposto. Il moto risultante della particella carica che ha una velocità obliqua rispetto a B sarà la sovrapposizione di un moto rettilineo uniforme nella direzione parallela a B e uno circolare uniforme nel piano perpendicolare a B. La sovrapposizione dei due moti è un’elica cilindrica a passo costante: si dice che la particella “spiraleggia” attorno alla linea di forza del campo magnetico.

Figura 5 Moto di una carica puntiforme con velocità obliqua rispetto a B

In assenza di un campo magnetico le particelle cariche del plasma hanno traiettorie casuali (1), mentre con n un opportuno campo magnetico riusciamo a intrappolare le particelle del plasma lungo go un percorso predefinito: per mezzo di un solenoide possiamo generare un campo magnetico con linee di forza parallele all’asse del contenitore, ovvero la cavità interna del solenoide. Se la camera di contenimento del plasma è cilindrica (2) le particelle non vengono disperse radialmente grazie alla forza di Lorentz, ma vanno comunque a bombardare bombardar le due estremità del contenitore; perdono la loro energia e il plasma si raffredda. Per ovviare a questo problema, nel 1950 all’istituto di Fisica Atomica di Mosca, Mos si pensò di chiudere il contenitore cilindrico su stesso, così da formare un contenitore toroidale, ribattezzato Tokamak (3).

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Il Tokamak

primario; la corrente sviluppa nel circuito magnetico un flusso di induzione magnetica φ. Una variazione di corrente nel circuito primario genera una variazione del flusso concatenato Δφ, e la creazione di una Forza Elettromotrice E lungo il circuito secondario (Legge di FaradayNeumann):
 

Il Tokamak consiste quindi in un solenoide chiuso (a forma di “ciambella”) all’interno del quale le linee di forza del campo magnetico sono chiuse a formare ciascuna una circonferenza: le particelle non dovrebbero trovare ostacoli sul loro cammino. L’attuale sfida tecnologica è quella di perfezionare il sistema di confinamento magnetico, così da ridurre al minimo la possibilità di contatto del plasma con le pareti del contenitore: l’urto tra le particelle tende a diffonderle radialmente, verso le pareti del Tokamak; inoltre la curvatura delle linee di forza del campo magnetico generano un fenomeno di deriva delle particelle nella direzione dell’asse del toro. Il Tokamak è quindi costituito da un anello toroidale che circonda un “circuito magnetico” (in rosso nella figura), detto nucleo. Attorno al nucleo sono avvolti le spire di un solenoide (azzurro) ed il toro (spire gialle) . Il solenoide centrale e il toro sono rispettivamente il circuito primario ed il circuito secondario di un trasformatore: si manda corrente nel circuito

∆Φ Δ

dove Δt è l’intervallo di tempo in cui la variazione è avvenuta. Se nel circuito secondario, cioè il toro, sono presenti cariche elettriche libere, esse vengono accelerate e nel secondario fluisce una corrente elettrica. Queste cariche elettriche libere sono gli elettroni e gli ioni preesistenti nella miscela che diventano via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri e contribuiscono ad aumentare la densità di cariche libere: questo fenomeno, chiamato “scarica”, permette quindi di ottenere il Plasma da fusione. Nota: nella figura sono presenti anche le bobine poloidali, necessarie a mitigare le instabilità del plasma. Gran parte del gas presente nella camera viene ionizzato e la corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda il plasma stesso per la legge di Ohm: questo è chiamato quindi riscaldamento Ohmico. Questo è il primo metodo per riscaldare il plasma ma ha dei limiti: la potenza trasferita al plasma è:

CENTRALE A FUSIONE NUCLEARE – ZITELLI FRANCESCO 5^SB dove R è la resistenza del plasma in quanto conduttore e I è la corrente nel plasma. La resistenza del plasma diminuisce al crescere della temperatura del plasma, perciò con l’aumento della temperatura la potenza ohmica riscaldante diminuisce. Sono necessari quindi sistemi di riscaldamento ausiliari: Riscaldamento con onde elettromagnetiche: il plasma può assorbire energia da onde elettromagnetiche in risonanza con la frequenza di ciclotrone delle particelle che lo compongono. Particolari antenne (come quelle contenute nei forni a microonde) iniettano le radioonde all’interno della camera di confinamento. La scelta della frequenza definisce il tipo di particella con cui le onde entreranno in risonanza. Si dividono in risonanza ciclotronica ionica (25-55 MHz) per riscaldare gli ioni (nuclei) e ciclotronica

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elettronica (100-200 GHz) per gli elettroni. Riscaldamento con fasci di atomi neutri: un acceleratore di particelle può generare particelle, con una velocità molto elevata, generando una potenza pari a 5 MW . Per utilizzare questa tecnica di riscaldamento, abbiamo bisogno di particelle neutre, poiché quelle cariche sarebbero deviate dal campo magnetico. Le particelle neutre che entrano nel plasma collidono con le particelle del plasma, perdono gli elettroni e diventano cariche, cosi che rimangono confinate dal campo magnetico. L’energia delle particelle viene cosi trasferita al plasma. L’iniettore di neutri è un progetto in via di sviluppo proprio a Padova, a cui partecipano il consorzio RFX e i Legnaro National Laboratories (INFN).

La centrale a fusione Arriviamo dunque alla centrale a fusione: si

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ricordi che lo schema qui proposto non è stato ancora realizzato. Il percorso da affrontare per ottenere una fonte di energia competitiva con quelle attuali è ancora lungo e irto di ostacoli. Quello illustrato è il modello più promettente fino ad ora: molto probabilmente le prime centrali a fusione nucleare utilizzeranno il ciclo deuteriotrizio (D-T) e saranno basate sul confinamento magnetico e configurazione del plasma di tipo Tokamak. (i punti dell’elenco si riferiscono alla figura della pagina precedente) 1. si immette corrente nelle bobine di campo toroidale e viene introdottala miscela di D-T all’interno della camera di confinamento, dove è realizzato il vuoto spinto; si immette corrente nel circuito primario del trasformatore (il solenoide centrale) creando il flusso φ nel nucleo; 2. l’abbassamento della corrente nel solenoide centrale genera una Forza Elettromotrice indotta nel toro: le particelle cariche accelerano e urtano tra di loro, si accende la scarica e si ottiene plasma. Questo viene ulteriormente riscaldato con i sistemi ausiliari (fasci di atomi neutri e radioonde). 3. gli urti tra i nuclei generano particelle α (nuclei di Elio con), radiazioni e neutroni. I nuclei di Elio, con il 20% dell’energia prodotta dalla fusione, rimangono confinati all’interno del toro, e rallentando cedono la loro energia cinetica al plasma. I neutroni, non essendo influenzati dal campo magnetico o elettrico, sfuggono al contenimento: questi impattano su un rivestimento della camera chiamato mantello (blanket) e vi depositano la loro energia cinetica, l’80% del totale prodotto. 4. Il mantello che circonda il plasma contiene un materiale a base di litio in quanto i neutroni in uscita dal plasma, reagendo con il suo isotopo Li-6, producono il Trizio, secondo la seguente reazione:

5. nel mantello avviene l’estrazione del calore trasportato dai neutroni attraverso un sistema di raffreddamento che rappresenta il circuito primario della centrale di produzione dell’energia. Nel caso di produzione di elettricità questo calore viene convertito in energia elettrica secondo gli schemi classici delle centrali termoelettriche, cioè il riscaldamento di acqua, la generazione di vapore e la conversione in energia elettrica tramite una turbina e un alternatore. Le materie prime necessarie al funzionamento di un reattore a fusione saranno quindi il Deuterio e il Litio, elementi entrambi abbondantemente presenti in natura: ogni litro di acqua contiene 33 milligrammi di Deuterio; mentre le riserve terrestri di Litio stimate corrispondono a 25.000 tonnellate (concentrate soprattutto in Sud America, in Bolivia, Cile, Argentina). Inoltre, il Litio è presente nella misura di 0.1 mg/litro nell’acqua di mare. Si può quindi concludere che le riserve di combustibile per la fusione siano virtualmente illimitate. Le “ceneri della combustione” ovvero le particelle alfa, la parte di miscela D-T incombusta, le impurità derivanti dall’interazione del plasma con le pareti della camera di confinamento, vengono estratte all’esterno attraverso il divertore, un sistema apposito per la rimozione di queste scorie posizionato sul fondo della camera a vuoto.

Figura 6 schema di un settore della camera a vuoto

Per questo si parla di mantello o copertura fertilizzante: il Trizio viene estratto da mantello e reintrodotto con Deuterio all’interno del reattore.

Il gas recuperato viene filtrato e diviso nei diversi componenti attraverso un sistema di pompe: Deuterio e Trizio vengono iniettati di nuovo nel

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reattore mentre l’Elio viene raccolto in Il cammino della fusione verso la contenitori appositi, pronto per altri utilizzi. commercializzazione La parete interna del mantello fertilizzante e il Alla luce delle ricerche attuali, il cammino verso divertore sono gli elementi del reattore a diretto la commercializzazione della fusione passa contatto con il plasma e quindi sono soggetti ad attraverso le tappe seguenti: un massimo irraggiamento dovuto ai neutroni • la realizzazione di ITER, un impianto che, pur prodotti dalla fusione: subiscono quindi un danno senza produrre energia elettrica, permetterà di da radiazione che ne compromette le proprietà provare la fattibilità e le condizioni operative meccaniche ed elettriche e necessitano di essere della maggior parte dei componenti della rimpiazzati con una certa frequenza. Mantello e centrale. divertore sono inoltre racchiusi all’interno di uno schermo neutronico, così da evitare il danneggiamento della camera da vuoto e dei magneti. Nella centrale a fusione verranno utilizzati magneti superconduttori in quanto con conduttori normali la perdita di energia per effetto Joule sarebbe troppo elevata: sotto una temperatura critica questi non offrono alcuna resistenza al passaggio di corrente elettrica. Per raggiungere questa temperatura critica, si • La realizzazione di una centrale di utilizza un criostato ad Elio liquido. dimostrazione (DEMO) che provi la produzione La centrale a fusione, a differenza delle macchine netta di elettricità e possa anche rappresentare sperimentali (JET, Joint European Torus, è un credibile prototipo della centrale attualmente il più grande esperimento Tokamak commerciale, anche se non ancora ottimizzata di fusione europeo) con un funzionamento a dal punto di vista economico. impulsi, funzionerà in maniera continuativa Uno dei problemi più importanti per il progetto grazie all’apporto continuo di potenza della futura centrale a fusione è la scelta dei dall’esterno, fornita con i metodi di materiali che saranno esposti al flusso riscaldamento ausiliari di cui abbiamo parlato neutronico. ITER, a causa del suo carattere sopra. ancora sperimentale, non potrà produrre Per quanto riguarda la sicurezza della centrale, la un numero di neutroni comparabile a quello presenza nel combustibile del Trizio, isotopo che si avrà in DEMO. Per questo motivo, in radioattivo dell’Idrogeno di tipo β con tempo di parallelo alla costruzione di ITER, si costruirà una dimezzamento di 12.33 anni, e degli altri sorgente intensa di neutroni per verificare il componenti radioattivi prodotti comportamento sotto irraggiamento a dall’irraggiamento neutronico rende necessarie lungo termine dei materiali della centrale. delle barriere adeguate al loro confinamento. Ciò richiede operazioni Difetti di manutenzione e sostituzione fatte a Pregi • abbondanza del combustile • ancora in fase distanza (tele manipolazione). (Deuterio e Litio) sperimentale La scorie di una centrale a fusione • zero emissioni di CO • ostacoli tecnologici 2 nucleare così concepita risultano non indifferenti comunque meno difficili da smaltire di • periodo di smaltimento delle scorie breve rispetto ad reattore a • alta competitività quelle prodotte da una centrale a fissione (100 anni contro 1000 dei combustibili fissione nucleare. Occorre quindi anni dopo l’estrazione) fossili riassumere i pregi e difetti di questa • sicurezza intrinseca della centrale futura tecnologia energetica: ( non essendo una reazione a catena, in assenza di combustibile la fusione si ferma)

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Il progetto si questo impianto , chiamato IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility), è stato già completato a livello internazionale. Si sta ora per avviarne la realizzazione nell’ambito di un accordo tra Unione Europea e Giappone. La costruzione e l’operazione di ITER richiederanno circa 20 anni. Il progetto esecutivo di DEMO potrà iniziare durante l’operazione di ITER utilizzando

anche i dati provenienti dalle prove in IFMIF, e procederà con la costruzione e il collegamento alla rete elettrica della centrale stessa intorno al 2035. Questo sarà il momento della verifica finale sulla capacità della fusione di realizzare centrali elettriche su larga scala; se l’esito sarà positivo, inizierà la commercializzazione di questa forma di energia.

Fonti: bibliografia e sitografia •

per la documentazione principale: FISICA E INGEGNERIA DELLA FUSIONE: LA RICERCA VERSO UNA NUOVA FONTE DI ENERGIA, opuscolo redatto dai ricercatori del Consorzio RFX di Padova;

•

per immagini e animazioni Flash: FUSION – POWER FOR FUTURE GENERATIONS, software interattivo su CD realizzato da EFDA – European Fusion Development Agreement;

•

per approfondimenti sul Tokamak ed ulteriori immagini: HTTP://WWW-FUSIONMAGNETIQUE .CEA.FR, sito di CEA, ente di ricerca francese per la ricerca sulla fusione;

•

per le leggi fisiche: La FISICA PER IL LICEI SCIENTIFICI, di U.Amaldi, libro di testo adottato in classe;

•

per informazioni aggiuntive e chiarimenti: WWW.WIKIPEDIA.IT , l’enciclopedia libera

Si ringraziano: • • • • •

Raoul Casellato, per lo stimolo ad approfondire la questione energetica; Davide Moro, per la pazienza e il materiale fornito; Fulvio Auriemma, del CNR di Padova per l’incontro divulgativo sulla fusione; Luca Silvestrin, per la sua preziosa consulenza; Prof. Petrocelli, per l’attenzione e il controllo finale del lavoro.