Combustibile.

Sostanza in grado di reagire, a velocità relativamente elevata, con ossigeno (o aria) per dare una reazione di combustione, in grado di fornire calore usato nei vari casi in cui la tecnologia lo richiede. Caratteristiche generali d'uso di un c. sono: essere disponibile in grande quantità; essere di prezzo relativamente basso; non dare origine a sostanze tossiche o corrosive; bruciare in un tempo abbastanza breve. Questi requisiti sono di sostanze, naturali e artificiali. Secondo il loro stato di aggregazione queste sostanze combustibili si classificano in c. solidi, liquidi, gassosi: inoltre si distinguono in naturali e artificiali. Il pregio di un c. può dipendere da molti fattori ambientali; comunque sono senz'altro preferiti quelli che forniscono molto calore per unità di peso, cioè hanno alto potere calorifico. Inoltre conta la facilità di trasporto e stoccaggio, la facilità di accensione e di regolazione della fiamma, la natura dei prodotti di combustione, la semplicità dell'apparecchiatura in cui questa può avvenire, la quantità di ceneri prodotte (cioè di residuo che si trova a fine combustione). Sotto questo punto di vista sono molto favoriti i c. gassosi per la loro grande facilità d'impiego; i c. liquidi però sono più facili da trasportare e tenere in deposito; quelli solidi d'altronde si impongono in genere per il loro basso prezzo. ║ C. solidi: sono naturali: legno, torba, ligniti, litantraci, antraciti. Sono artificiali: carbone di legna, coke di gas illuminante, coke metallurgico, semicoke. La loro composizione e il loro potere calorifico sono raggruppati nella seguente tabella (in cui il potere calorifico superiore è espresso in kcal/kg):

Combustibile	C%	H%	(N, O)%	Potere calorifico
Legno	50÷54	6÷7	40÷44	4.000÷4.500
Torba	55÷60	5÷6.5	30÷40	5.000÷5.500
Ligniti	60÷75	4÷6	20÷35	4.500÷7.500
Litantraci	75÷93	4÷5	3÷18	7.500÷9.000
Antraciti	93÷95	2÷4	3÷3,5	8.000÷8.800
Carbone di legna	70÷80	5÷10	20÷30	7.500÷8.000
Coke	96÷97	0,3÷1	2÷2,5	6.500÷7.500
Semicoke	90÷95	1÷4	2÷6	6.000÷6.500

I c. solidi presentano un basso costo, ma richiedono un'apparecchiatura di dimensioni relativamente grandi per la combustione; la temperatura adiabatica della fiamma è sempre non molto alta perché la loro combustione avviene completamente solo con un forte eccesso d'aria. Sono costituiti, in prevalenza da carbonio, che durante la combustione passa a CO₂. Anche l'idrogeno dà un contributo al potere calorifico, ma più limitato. In genere contengono zolfo, cosa non desiderata. Si è tentato di semplificare l'apparato per la loro combustione polverizzandoli e alimentandoli per trasporto pneumatico con l'aria di combustione, ad un bruciatore di polverina di carbone analogo a quelli usati per la nafta. La cosa ha avuto successo, ma è sempre meno pratica dell'uso di c. liquidi o gassosi. ║ C. liquidi: sono naturali: petrolio e derivati; sono artificiali: alcool metilico, alcool etilico, benzolo. Sono tutti costituiti prevalentemente da carbonio e idrogeno e hanno alto potere calorifico. In genere il petrolio come tale si usa raramente, in quanto si preferisce distillarlo e separarlo nelle varie frazioni a diverso punto di ebollizione. Le frazioni a idrocarburi molto leggeri (2 ÷ 4 atomi di C) vengono usate come GPL (gas petroliferi liquefatti, venduti in bombole) per riscaldamento e anche per autotrazione; le frazioni leggere (5 ÷ 10 atomi di C) sono usate come benzine per autotrazione; quelle medie (10 ÷ 15 atomi di C) come carburanti per motori Diesel; le frazioni immediatamente superiori per alimentare motori a getto o per riscaldamento domestico; infine le frazioni ancora più pesanti sono bruciate nelle industrie o sottoposte a cracking. I c. liquidi artificiali non hanno impiego, salvo rare eccezioni, per il loro costo, che è molto più elevato. Si sono impiegati e si impiegano tutt'ora per particolari carburanti. Il potere calorifico superiore delle benzine e delle nafte si aggira sulle 10.000 ÷ 11.000 kcal/kg; per l'alcool etilico sulle 7. 100 kcal/kg. ║ C. gassosi: sono naturali: metano, GPL; sono artificiali: idrogeno, acetilene, gas illuminante, gas di aria, gas d'acqua, gas misto. Il metano si ottiene dal sottosuolo mediante perforazioni; spesso è accompagnato da petrolio. È un c. altamente pregiato; il suo potere calorifico è di 8.600 kcal/Nm³; la presenza di omologhi superiori può però elevarlo anche a 10.000. In Italia si ha una forte produzione di metano, che è usato anche come prodotto di partenza per sintesi organiche e inorganiche; tuttavia tale produzione non basta a supplire la domanda, onde si immette, nella vastissima rete nazionale di metanodotti, anche del metano importato. Solo recentemente, sono state costruite navi in grado di trasportarlo liquido a circa -160°C. I GPL si ottengono dalla distillazione del petrolio, onde si possono considerare sia naturali che artificiali. L'idrogeno è un ottimo c., in quanto la sua combinazione con l'ossigeno produce acqua, e fornisce calore (una mole di idrogeno pesa solo 2 g circa, e fornisce circa 60 kcal); tuttavia non si impiega mai puro perché è un prodotto prezioso per sintesi chimica; si usa invece mescolato ad altri gas. Esso costituisce una forte percentuale del gas illuminante e del gas misto; da questi lo si potrebbe separare per uso chimico, ma sono necessari impianti molto costosi. L'acetilene è un buon c., ma anche per esso vale il discorso fatto per il metano; spesso anzi si parte proprio da questo per ottenerla. Una sua applicazione preziosa come c. è nella fiamma ossiacetilenica, che sostituisce la fiamma ossidrica, dando anche una maggior temperatura adiabatica; il suo potere calorifico giunge infatti a circa 14.000 kcal/Nm³. Il gas illuminante è prodotto come tale, per distillazione di fossili nella preparazione del coke metallurgico. In genere viene distribuito dopo purificazione e diluizione con gas d'acqua; prima di questa operazione contiene circa H₂ 52%, CH₄ 33%, CO 9,5%, C₂H₆ 3%, oltre ad azoto H₂S, ecc. Il potere calorifico è sulle 5.400 kcal/Nm³. Il gas d'aria si ottiene facendo passare una corrente d'aria su un letto di carbone rovente; è composto prevalentemente di CO (25 ÷ 30%); H₂ (2 ÷ 5%), con fortissime percentuali di gas inerti fra cui N₂ (60 ÷ 70%); e CO₂ (4 ÷ 5%). Esso è detto quindi gas povero per il suo basso potere calorifico (900 ÷ 950 kcal/Nm³). È usato solo nelle industrie. Il gas d'acqua si ottiene invece facendo passare sul letto di carbone rovente una corrente di vapore; esso contiene una forte percentuale di CO e H₂ onde raggiunge le 2.500 kcal/Nm³. I gas inerti non superano il 10%. Il gas misto ha una composizione intermedia fra le due precedenti, in quanto risulta dall'invio contemporaneo di aria e vapore d'acqua sul letto di carbone rovente. È un buon gas per molti impieghi industriali. ║ C. nucleari: nome dato a materiali costituiti da o contenenti nuclei atomici pesanti, in grado di subire una fissione, liberando energia sotto forma di calore. Essi quindi non sono dei c. nel senso tradizionale del termine in quanto il calore non è prodotto da una reazione di ossidazione, bensì dal solo materiale, senza bisogno di alcun comburente e senza presenza di alcuna fiamma. Questo li rende la fonte di energia ideale in molti campi, quali ad esempio la propulsione in ambienti privi di ossigeno (sottomarini, in futuro molto probabilmente anche per missili); inoltre la quantità di energia fornita anche da un solo chilogrammo di c. è enorme. Come contropartita, il loro prezzo - a pari potenza prodotta - è ancora superiore a quello dei c. tradizionali, soprattutto per le difficoltà connesse alla lavorazione e utilizzazione, in quanto occorrono apparecchiature molto costose perché costruite con impotenti schermature. Un problema non ancora ben risolto è l'eliminazione dei rifiuti radioattivi, in modo che non inquinino l'atmosfera, i mari o il suolo. Uno dei metodi più usati consiste nel loro inglobamento in grandi masse di cemento armato, che vengono calate sul fondo marino in località ben precise. Si comprende subito che tale metodo non è pratico; il problema dell'eliminazione dei rifiuti diviene più semplice nei reattori autofertilizzanti (V. OLTRE), in quanto i prodotti della reazione possono essere recuperati e riutilizzati. Potenzialmente ogni nucleo atomico pesante può essere considerato un c. nucleare, ma solo alcuni possono essere utilizzati praticamente. Infatti sono responsabili della fissione i neutroni presenti all'interno della massa di c., generati da decadimento spontaneo di alcuni nuclidi (cioè isotopi) o da bombardamento dall'esterno. Alcuni nuclei, colpiti da un neutrone, si disintegrano con emissione di altri neutroni e di energia, e fanno quindi proseguire la reazione (che tende anzi a diventare a catena, cioè esplosiva), ma altri catturano neutroni senza subire fissione e senza emetterne altri, portandosi alla stabilità energetica mediante emissione in un quanto . Un c. deve essere una miscela dei due tipi di nuclei in quanto il primo tipo da solo darebbe luogo ad una esplosione (per innesco di una reazione a catena) non appena la massa di c. raggiunge un certo valore, mentre il secondo tipo da solo è inerte; in miscela esso serve a ridurre la concentrazione dei neutroni presenti, in modo da realizzare l'autosostentamento (cioè numero dei neutroni prodotti uguale al numero di quelli catturati) del reattore. Solitamente una quantità notevole di neutroni sono assorbiti anche dalle barre moderatrici (in In, Be, Cd, ecc.) che servono per il controllo della potenza emessa (infatti assorbono neutroni, e mediante esse si può variare la velocità con cui il c. reagisce, cioè la potenza emessa) e delle pareti del reattore. I nuclei che subiscono fissione ad opera di neutroni sono solo tre. U 233, U 235, Pu 239 (ove i numeri indicano la massa atomica del nuclide di uranio o plutonio). Fra questi, solo il ²³⁵U esiste in natura, ma non allo stato puro, bensì mescolato allo ²³⁸U in proporzione 1:140 nei suoi minerali. I primi impianti di c. nucleari erano costituiti principalmente da giganteschi arricchitori, cioè apparati nei quali, con vari metodi (ad esempio per diffusione multipla in fase gas del fluoruro di uranio), si arricchiva la miscela naturale di uranio nell'isotopo 235 fino ad una percentuale utile per l'impiego come c. Si noti che la separazione ²³⁵U dal ²³⁸U non può essere fatta per via chimica, in quanto i due nuclei sono isotopi, cioè chimicamente identici; anche una separazione fisica basata sulla differenza di massa è difficile, in quanto tale differenza è di sole 3 unità di massa su 235; se poi si passa all'esafluoruro tale differenza diventa di 3 unità su 349! Lo ²³⁵U e il ²³⁹Pu sono ottenuti artificialmente per bombardamento di ²³²Th e ²³⁸U con neutroni. Si possono quindi costruire dei reattori nucleari autofertilizzanti, nei quali si carica dello ²³⁵U mescolato a nuclei fertili (²³²Th, ²³⁸U); questi vengono convertiti a nuclei fissili, sono recuperati dal c. esaurito, e possono essere usati per alimentare un altro reattore; cioè consente un notevole risparmio. Si prevede, data la carenza di minerali di U e la bassa percentuale di ²³⁵U in essi, che questi reattori avranno grandissimo sviluppo in futuro. Nei reattori attualmente in funzione il c. è caricato sotto forma di pasticche o barre sottili, contenute in tubi di metallo opportuno. Il consumo di c. è sempre molto basso. Un reattore all'uranio naturale arricchito consuma circa 60 kg/anno di c. per Megawatt (milione di watt) di potenza installata. Si noti però che, benché il costo medio dell'uranio naturale sia relativamente contenuto, l'operazione di purificazione e di arricchimento rende il prezzo del c. molto più alto. Per questo motivo e per la complessità delle centrali nucleari (che richiedono fortissimi investimenti), il prezzo dell'energia elettrica prodotta da questi c. non è ancora competitivo con quello dell'energia prodotta per via idroelettrica o termoelettrica mediante i c. tradizionali, benché si preveda che lo possa diventare nel giro di 15 ÷ 20 anni.

COMPOSIZIONE DEI PRINCIPALI COMBUSTIBILI
Nome	Composizione	Stato	Densità (kg/mc) in mucchio o a =°C e 1 atm
Carboni Coke Torbe-ligniti Legnami Carbone di legna Petrolio Nafte e oli pesanti Catrame Cherosene Gasolio Benzina Alcool Gas naturale Gas illuminante Gas d'altoforno Gas d'acqua Gas d'aria	carbonio+mat.volat.+ceneri carbonio+ceneri carbonio+mat.volat.+ceneri carbonio+mat.volat.+ceneri carbonio+mat.volat.+ceneri miscela idrocarburi miscela idrocarburi miscela idrocarburi miscela idrocarburi miscela idrocarburi miscela idrocarburi alcool etilico metano+idrocarburi idrogeno+metano ossido di carbonio+azoto idrog.+ossido di carbonio ossido di carbonio+azoto	solido solido solido solido solido liquido liquido liquido liquido liquido liquido liquido gassoso gassoso gassoso gassoso gassoso	720 ÷ 870 360 ÷ 470 325 ÷ 700 320 ÷ 420 150 ÷ 220 770 ÷ 830 910 ÷ 970 1050 ÷ 1150 790 880 720 ÷ 78 795 0,78 0,64 1,1 ÷ 1,3 0,5 ÷ 0,7 1,0 ÷ 1,3

PRINCIPALI COMBUSTIBILI
	Combustibili solidi	Combustibili liquidi	Combustibili gassosi
NATURALI	Carboni fossili, legna, resti bituminosi	Petrolio, bitume asfaltico, sabbie bituminose	Gas naturali
ARTIFICIALI	Coke, carbone di legna, propellenti solidi	Frazioni e derivati petroliferi: olio combustibile, cherosene, benzina, propellenti liquidi	Gas di cokeria, gas di gasogeno, gas d'acqua, gas d'altoforno, ecc.