Sfruttamento delle energie alternative
 

Una notizia da trafiletto e come si accendono stufe e fusioni

Roberto Deboni DMIsr 5 Mar 2017 06:16
Pensate ad una stufa a legna (chissa quanti delle giovani generazioni ne
hanno mai vista una dal vivo in funzione ? ma almeno chi gira i Brico ne
avra' vista qualcuna). Dentro ci bruciate la legna.

Un pezzo di legno da un chilo bruciando rende circa 4,5 kW*h di energia
(16,2 MJ). Cerco di dare una idea di quanto e' un chilo di questa legna.
La densita' della legna va' da 430 kg/m3 (noce) ai 700 kg/m3 (quercia),
ovviamente inteso come legna secca (altrimenti c'e' da aggiungere anche
il peso dell'umidita'). Quindi un 1 kg di noce e' un pezzo di legno di
2,3 dm3 di volume, ed 1 kg di quercia un pezzo di 1,4 dm3 di volume.
Se immaginate una sezione di 10x10 cm, il ciocco di noce e' lungo 23 cm
e quello di quercia e' lungo 14 cm.
Se questa legna ci mette un'ora a bruciare, la potenza termica espressa
equivale a 4,5 kW(t). Che e' equivalente alla potenza della tipica
caldaia a gas per un appartamento di tre locali.

Ma come si accende questo ciocco ? Non e' facile: dovete prima portarlo
a temperatura, perche' la legna, in condizioni normali, non ha alcuna
voglia di reagire con l'ossigeno generando energia. Ma che temperatura
si deve raggiungere ? Non c'e' un valore "specifico", ma una
combinazione di temperatura e tempo. Anche 180 gradi Celsius possono
bastare, se avete la pazienza di aspettare mezz'ora. Se invece volete
una accensione entro un minuto, dovete arrivare a 430 gradi Celsius.

Ora, immaginatevi: siete nel mezzo di un posto selvaggio ed avete un
freddo cane. Ed un bel pezzo di legno asciutto in mano.
Supponiamo che avete una scatola di fiammiferi. Accenderli e' facile, ma
quanta enegia rilascia un fiammifero ? Nonostante l'apparenzza dei
fantamasgorici "effetti speciali" della capocchia, il grosso
dell'energia prodotta dal fiammifero e' data dalla combustione del
stecchino di legno. Un fiammifero pesa circa 2 grammi, quindi l'energia
equivalente vale circa 1 W*h (3600 joules). C'e' chi ha sperimentato la
durata di un fiammifero (posizione verticale, con la fiamma in alto) e
pare che sia di poco meno di un minuto. Percio', questi 3600 joules sono
rilasciati al ritmo di 3600/60 = 60 joules/secondo --> 60 watt.
60 watt per un minuto. Vi risparmio altri calcoli, ma fidatevi se vi
dico che con un fiammifero non accendete un ciocco di legna.
Non senza qualche "aiuto".

Ed allora, come riscaldare il ciocco a 430 gradi per almeno un minuto ?

Vi serve un fuoco piu' piccolo per iniziare.

Un foglio di carta A4 da 80 grammi/m2 (quello classico da
fotocopia/laser) ha una superficie di 2,1x3,0 = circa 6,3 dm2, quindi
con un m2 = 100 dm2 ci faccio 15,87 foglio, come dire che un foglio
pesa 80/15,87 circa 5 grammi. La carta "buona" e' cellulosa ovvero legna
e vale energeticamente 12 MJ/kg (3,3 kW*h/kg), un po' meno della legna e
quindi un foglio A4 vale 60 kJ, e bruciando entro 10 secondi, esprime 6
kJ/secondo = 6 kW di potenza. Quindi un foglio A4 esprime una potenza
100 volte superiore a quella del fiammifero che brucia, ma dura meno. Se
pero' mettete un certo numero di fogli, potete allungare questa fase di
6 kW di potenza anche fino al minuto e riuscire cosi' ad alzare la
temperatura a della legna piu' grossa a quella di un fiammifero. No, il
ciocco, no. Pero' delle schegge di legno possono essere innescati. Che
bruciando nel giro di qualche minuto fanno innescare dei pezzetti di
legno piu' grossi, che bruciando con intensita' per almeno alcuni
minuti, finalmente riescono ad innescare il ciocco, e continuando a
riscaldarlo, alla fine ad avviare la combustione totale.

Ed ora la notizia da pagina interna, in calce, un trafiletto:

<https://www.llnl.gov/news/llnl *******
key-milestone-delivery-world%E2%80%99s-highest-average-power-petawatt-laser-system>

<http://web.archive.org/web/20170213001008/https://www.llnl.gov/news/llnl
*******
key-milestone-delivery-world%E2%80%99s-highest-average-power-petawatt-laser-system>

"HAPLS set a world record for *****de-pumped petawatt lasers, with energy
reaching 16 joules (J) and a 28 femtosecond (fs) pulse duration
(equivalent to ~0.5 petawatt/pulse) at a 3.3 hertz (Hz) repetition rate
(3.3 times per second)."

Vediamo di mettere questa notizia in numeri. Ricordiamo che la potenza
e' data da watt = joules/secondi. Quindi:

16 16
---------- = ------------- = 0,57 x 10^15 = 0,57 PW (petawatt)
28 fs 28 x 10^-15

HAPLS sta per High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System ovvero
per Sistema Laser Avanzato da Petawatt ad alta frequenza di ripetizione.
Sia chiaro, questa frequenza non e' "alta" in confronto alle attuale
alternative, infatti si tratta solo di 3,3 Hz (3,3 eventi al secondo).

Quindi un HAPLS consuma 16 joules x 3,3 = 52,8 joules/secondo ovvero
emette una potenza media continua di 52,8 watt.

In compenso pero', per brevi istanti, (3,3 volte al secondo) emette
impulsi con una potenza di 570 TW = 570'000 GW. Considerate che il picco
di potenza elettrica mai assorbito dall'Italia e' stato poco meno di 60 GW.

Con 570'000 GW potremo anche riuscire ad "accendere" due atomi da farli
fondere insieme (fusione), emettendo pero' l'energia di una classica
lampadina ad incandescenza (pero' sta a vedere quanta energia dobbiamo
buttare dentro per avere questi 60W in uscita ... insomma quanto e'
efficiente questo *****do ?). Poi da questi atomi che fondono si ha un
rilascio di energia ben maggiore di quella emessa.

Notare che raggiungere 500 TW di potenza non e' una novita', ma si
trattava di sistemi che sparavano "un colpo" e poi richiedevano una
pausa per raffreddarsi, regolare, etc.

HAPLS invece e' un sistema che spara a ripetizione, al ritmo di 3,3 Hz.
Una condizione necessaria per una centrale a fusione, che non puo'
certamente funzionare a "singhiozzo". A 3,3 Hz invece, si avrebbe un
flusso di energia costante. Naturalmente anche qui c'e' una questione di
"durata", ovvero, posto che l'energia venga "scaricati" sugli atomi nel
modo giusto, per quanto tempo occorre tenere 570 TW onde innescare la
fusione nucleare ?

Si tratta di vedere ora se accendiamo questo pezzo di carta.


"Those advancements include HAPLS' ability to reach petawatt power
levels while maintaining an unprecedented pulse rate; development of the
world's highest peak power *****de arrays, driven by a Livermore-developed
pulsed power system; a pump laser generating up to 200 J at a 10 Hz
repetition rate; a gas-cooled short-pulse titanium-doped sapphire
amplifier; a sophisticated control system with a high level of
automation including auto-alignment capability, fast laser startup,
performance tracking and machine safety; dual
chirped-pulse-amplification high-contrast short-pulse front end; and a
gigashot laser pump source for pumping the short-pulse preamplifiers. In
addition, HAPLS is to be the most compact petawatt laser ever built."

Ed ancora:

<https://www.llnl.gov/news/lawrence-livermore-deploys-world%E2%80%99s-highest-peak-power-laser-*****de-arrays>

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