Z Pulse Power Facility - Z Pulsed Power Facility
Координаты : 35.035451 ° N 106.542522 ° W 35 ° 02′08 ″ с.ш., 106 ° 32′33 ″ з.д. /
Z-Машина , неофициально известная как Z машина или Z - пинч , является самым большим высокой частотой электромагнитной волны генератором в мире и предназначена для испытаний материалов в условиях экстремальной температуры и давления. После ремонта в октябре 1996 года он использовался в основном как исследовательская установка для термоядерного синтеза с инерционным удержанием (ICF). Управляется Sandia National Laboratories в Альбукерке, Нью - Мексико , он собирает данные для помощи в компьютерном моделировании с ядерного оружия и возможных ядерного синтеза импульсных электростанций .
Происхождение
Происхождение Z - машина может быть прослежено в Департамент энергетики необходимости повторить реакции синтеза из в термоядерной бомбе в лабораторных условиях , чтобы лучше понять физику участия.
С 1970 - х ЕЙ искали в способы , чтобы генерировать электричество из реакций синтеза , с непрерывными реакциями , такими как токамак или дискретным слияние маленьких шариков легких атомов. Поскольку в то время лазеры были далеки от необходимой мощности, основным рассматриваемым подходом был синтез тяжелых ионов (HIF). Однако крупные достижения, такие как модуляция добротности и синхронизация мод, сделали лазеры возможными (кульминацией которых стало создание Национального центра зажигания ), и программы HIF стали более или менее бездействующими. В 1985 году в обзоре программы DoE Национальными академиями было указано, что «Энергетический кризис пока дремлет». Машины HIF должны были помочь военным исследованиям улучшить ядерные бомбы .
Первое исследование в Сандиа датируется 1971 годом, когда Герольд Йонас инициировал и руководил программой синтеза пучков частиц. Электроны были первыми частицами, о которых нужно было подумать, потому что импульсные ускорители энергии в то время уже концентрировали их с большой мощностью на небольших участках. Однако вскоре после этого стало понятно, что электроны не могут нагревать термоядерное топливо достаточно быстро для этой цели. Затем программа перешла от электронов к протонам. Они оказались слишком легкими, чтобы контролировать их достаточно хорошо, чтобы сконцентрироваться на цели, и программа перешла к легким ионам, литию. Названия ускорителей отражают изменение акцентов: сначала ускоритель назывался EBFA-I (ускоритель слияния электронного пучка), вскоре после этого - PBFA-I, который стал называться Saturn. Протоны потребовали еще одного ускорителя, PBFA-II, которым стал Z.
В декабрьском выпуске журнала Popular Science за 1976 год и в материалах конференции 1976 года, опубликованных в 1977 году, статья под названием «Исследование синтеза пучка частиц» описывала ранние работы и машины первого поколения: Hydra (1972); Proto I (1975); Proto II (1977); EBFA / PBFA (электронный ускоритель синтеза пучка / ускоритель синтеза пучка частиц) (1980).
В 1985 году был создан PBFA-II. Sandia продолжала медленно работать над синтезом тяжелых ионов, несмотря на отчет национальных академий.
В ноябрьском номере журнала Scientific American за 1978 год была опубликована первая публичная статья Йонаса «Сила синтеза с пучками частиц».
Тем временем в Сандиа также продолжались исследования, связанные с обороной, с использованием машины Hermes III и Saturn (1987), модернизированной с PBFA-I, который работал с меньшей общей мощностью, чем PBFA-II, но расширял знания Sandia в области высокого напряжения и высокого тока и был поэтому полезный предшественник Z-машины.
В 1996 году армия США опубликовала отчет о выводе из эксплуатации симулятора импульсного излучения «Аврора». Этот отчет полезен для понимания связи между испытаниями ядерного оружия и исследованиями в области энергии инерционного термоядерного синтеза.
Также в 1996 году машина PBFA-II была снова модернизирована до PBFA-Z или просто «Z машины», впервые описанной широкой публике в августе 1998 года в журнале Scientific American.
Физика машины Z
Z-машина использует хорошо известный принцип Z-пинча, когда быстрый разряд конденсаторов через трубку с плазмой заставляет ее сжиматься по направлению к центральной линии возникающими силами Лоренца . Беннет успешно исследовал применение Z-пинчей для сжатия плазмы. Компоновка станка Z - цилиндрическая. Снаружи он содержит огромные конденсаторы, разряжающиеся через генераторы Маркса, которые генерируют высоковольтный импульс длительностью в одну микросекунду. Затем Йонас использует систему, чтобы разделить это время на коэффициент 10, используя диэлектрическую мощность воды, чтобы создать разряды 100 нс.
Однако эта попытка не увенчалась успехом для синтеза тяжелых ионов из-за недостаточной фокусировки лучей, несмотря на используемую высокую мощность. В течение долгого времени было известно, что силы Лоренца являются радиальными, но ток очень нестабилен и вращается вдоль цилиндра, что вызывает скручивание схлопывающейся трубки, что снижает качество сжатия.
У русского ученого Валентина Смирнова тогда возникла идея заменить трубку (называемую «лайнером») проволочной сеткой, чтобы бороться с азимутальным течением тока и, следовательно, бороться с нестабильностью магнитогидродинамики (МГД). Комплекс «Ангара-V» Курчатовского института был построен по той же причине: для моделирования и проектирования второй ступени водородных бомб и для проверки воздействия мощных рентгеновских лучей на боеголовки ядерных ракет. Пространство внутри проволочной решетки было заполнено полистиролом, который помогает гомогенизировать поток рентгеновских лучей.
Любая страна, разрабатывающая термоядерное оружие, имеет свою собственную Z-машину, но страны, не использующие водопроводные сети, имели длинные нарастающие импульсы (например, 800 нс в Сфинксе, французская машина в Грамате ). В Великобритании машина Magpie располагалась в Имперском колледже под управлением Малкольма Хейнса.
Удалив полистироловую сердцевину, Sandia смогла получить тонкий плазменный шнур толщиной 1,5 мм, в котором протекало 10 миллионов ампер при давлении 90 мегабар.
Ранняя эксплуатация 1996–2006 гг.
Ключевыми атрибутами Z-машины Sandia являются ее 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунд . Массив вольфрамовых проволок называется лайнером. В 1999 г. Сандия проверила идею вложенных массивов проводов; второй массив, не совпадающий по фазе с первым, компенсирует неустойчивости Рэлея-Тейлора . В 2001 году Sandia представила лазер Z-Beamlet (из избыточного оборудования Национального центра зажигания ) в качестве инструмента для лучшего изображения сжимающейся гранулы. Это подтвердило однородность формы гранул, сжатых на Z-машине.
Сандия объявила о синтезе небольших количеств дейтерия в Z-машине 7 апреля 2003 года.
Помимо использования в качестве генератора рентгеновских лучей, машина Z двигала небольшие пластины со скоростью 34 километра в секунду, что быстрее, чем 30 километров в секунду, которые Земля движется по своей орбите вокруг Солнца , и в четыре раза превышает скорость убегания Земли (в 3 раза больше, чем на уровень моря). Он также успешно создал специальный сверхплотный «горячий лед», известный как лед VII , путем быстрого сжатия воды до давления от 70 000 до 120 000 атмосфер (от 7 до 12 ГПа ). Механический удар от разлетающихся снарядов Z-машины может плавить алмазы.
Хороший обзор различных задач Z-машины можно найти в отчете комитета Trivelpiece за 2002 год, в котором анализировалась импульсная энергетическая активность в Sandia.
За это время мощность рентгеновского излучения увеличивалась с 10 до 300 ТВт. Чтобы достичь следующего этапа безубыточности слияния, потребовалось еще одно обновление.
Два миллиарда Кельвинов
В начале 2006 года машина Z производила плазму с заявленными температурами, превышающими 2 миллиарда Кельвинов (2 × 10 9 К), 3,6 миллиарда ° F (2 миллиарда ° C ) или 172 кэВ , даже достигая пика при 3,7 × 10. 9 K, 6,6 миллиарда ° F (3,7 миллиарда ° C ) или 319 кэВ. Частично это было достигнуто за счет замены вольфрамовой проволоки более толстой стальной проволокой. Эта температура, которая обеспечивает эффективность преобразования электрической энергии в мягкое рентгеновское излучение от 10% до 15%, была намного выше, чем ожидалось (в 3-4 раза превышала кинетическую энергию входящих проводов на оси). Книга рекордов Гиннеса ранее указала на нее как на самую высокую температуру, достигнутую человеком ( коллайдер релятивистских тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории и Большой адронный коллайдер с тех пор производят более высокие температуры, хотя в веществе в ядерном, а не в макроскопическом масштабе). Происхождение этой дополнительной энергии до сих пор остается невыясненным, но было высказано предположение, что мелкомасштабная МГД- турбулентность и вязкое затухание преобразуют магнитную энергию в тепловую энергию ионов, которые затем будут передавать свою энергию электронам через столкновения.
Перспективы
В 2004 году было объявлено о программе модернизации стоимостью 60 миллионов долларов (увеличено до 90 миллионов долларов) под названием ZR (Z Refurbished) с целью увеличения мощности на 50%. В июле 2006 года машина Z была разобрана для этой модернизации, включая установку нового оборудования и компонентов, а также более мощных генераторов Маркса . Секция деионизированной воды в машине была уменьшена примерно до половины предыдущего размера, в то время как масляная секция была значительно расширена, чтобы разместить более крупные линии промежуточного хранения (i-store) и новые лазерные башни, которые раньше располагались в водная секция. Ремонт был завершен в октябре 2007 года. Новейшая машина Z теперь может вырабатывать около 26 миллионов ампер (вместо 18 миллионов ампер ранее) за 95 наносекунд. Излучаемая мощность была увеличена до 350 тераватт, а выходная энергия рентгеновского излучения - до 2,7 мегаджоулей . Однако максимальная температура, которую может достичь новая версия с той же самой рекордной гильзой из нержавеющей стали, использовавшейся в 2005 году, пока не известна.
Сверхвысокие температуры, достигнутые в 2006 году (от 2,66 до 3,7 миллиардов кельвинов), намного выше, чем те, которые требуются для классического синтеза водорода , дейтерия и трития, который рассматривался ранее. Теоретически, если не на практике, они могли бы позволить слияние легких атомов водорода с более тяжелыми атомами, такими как литий или бор . Эти две возможные реакции синтеза не производят нейтронов и, следовательно, не вызывают радиоактивности или ядерных отходов , поэтому они открывают возможность искусственного чистого анейтронного синтеза .
Дорожная карта Sandia включает еще одну версию Z-машины под названием ZN (Z Neutron) для тестирования более высоких выходов в системах термоядерной энергии и автоматизации. ZN планирует дать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода с выстрелом в час, используя российский драйвер линейного трансформатора (LTD), заменяющий существующие генераторы Маркса. После 8-10 лет работы ZN станет экспериментальной установкой по трансмутации, способной производить термоядерный выстрел каждые 100 секунд.
Следующим запланированным шагом будет испытательная установка Z-IFE (Z-инерционная энергия термоядерного синтеза), первая прототипная термоядерная электростанция с приводом от Z-пинча. Предполагается, что последние разработки Sandia будут интегрированы с использованием LTD. Sandia Labs недавно предложила концептуальную Z-образную электростанцию LTD мощностью 1 петаватт (10 15 Вт), где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер. По состоянию на 2012 год моделирование термоядерных взрывов при токах от 60 до 70 миллионов ампер показывает 100-1000-кратную отдачу от потребляемой энергии. Испытания на максимальную мощность 26-27 миллионов ампер нынешней конструкции машины Z должны были начаться в 2013 году.
Программа Z-Pinch Inertial Fusion Energy
Проект Sandia Laboratories Z-IFE направлен на решение практических трудностей в использовании термоядерной энергии. Основные проблемы включают выработку энергии за один выстрел Z-пинча и быструю перезарядку реактора после каждого выстрела. По их предварительным оценкам, взрыв топливной капсулы каждые 10 секунд может экономично произвести 300 МВт термоядерной энергии.
Смотрите также
- Сандийские национальные лаборатории
- Сила термоядерного синтеза
- Управление запасами
- Импульсная мощность
- Энергетическая установка на инерционном термоядерном синтезе
- Список статей по плазме (физике)
- Анейтронный синтез
- Намагниченный лайнер инерционный сплав
использованная литература
внешние ссылки
- Домашняя страница Z Pulsed Power Facility
- «Машина по имени Z» , статья из The Observer
- Новости физики , 28 февраля 2006 г.