Zasilacz impulsowy Z — Z Pulsed Power Facility

Współrzędne : 35.035451°N 106.542522°W 35°02′08″N 106°32′33″W /  / 35.035451; -106,542522

Maszyna Z , potocznie znane jako maszyny do Z lub Z szczyptą jest największym wysokiej częstotliwości fali elektromagnetycznej generatora na świecie i jest przeznaczony do materiałów testowych w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Od czasu remontu w październiku 1996 r. jest używany głównie jako ośrodek badawczy inercyjnej syntezy termojądrowej (ICF). Obsługiwany przez Sandia National Laboratories w Albuquerque w Nowym Meksyku , to gromadzi dane w celu ułatwienia modelowania komputerowego z broni jądrowej i ewentualnej fuzji jądrowej pulsowo elektrowniach .

Początki

Zobacz też: Energia termojądrowa § Historia badań

Początki maszyna Z. można prześledzić do Departamentu Energii konieczności replikować reakcje syntezy o bombie termojądrowej w środowisku laboratoryjnym w celu lepszego zrozumienia fizyki zaangażowany.

Od 1970 DoE szukali do sposobów do wytwarzania energii elektrycznej z reakcji syntezy z ciągłymi reakcji, takich jak tokamakach lub przerywane stopienia kulek atomów światła. Ponieważ w tamtym czasie lasery były dalekie od wymaganej mocy, głównym rozważanym podejściem była fuzja ciężkich jonów (HIF). Jednak duże postępy, takie jak przełączanie Q i blokowanie trybów, sprawiły, że lasery stały się opcją (której kulminacją był National Ignition Facility ), a programy HIF stały się mniej lub bardziej uśpione. W 1985 r. przegląd programu DoE przez Akademie Narodowe stwierdził, że „kryzys energetyczny jest na razie uśpiony”. Maszyny HIF miały za zadanie wspomóc badania wojskowe w ulepszaniu bomb atomowych .

Pierwsze badania w Sandii pochodzą z 1971 roku, kiedy Gerold Yonas zainicjował i kierował programem fuzji wiązek cząstek. Elektrony były pierwszymi cząsteczkami, o których pomyślano, ponieważ impulsowe akceleratory mocy w tamtym czasie koncentrowały je już przy dużej mocy na małych obszarach. Jednak wkrótce potem zdano sobie sprawę, że elektrony prawdopodobnie nie mogą wystarczająco szybko ogrzać paliwa fuzyjnego. Następnie program odszedł od elektronów na rzecz protonów. Okazało się, że są one zbyt lekkie, aby kontrolować wystarczająco dobrze, aby skoncentrować się na celu, a program przeniósł się na lekkie jony litu. Nazwy akceleratorów odzwierciedlają zmianę akcentów: najpierw nazwano akcelerator EBFA-I (akcelerator syntezy wiązek elektronów), a wkrótce potem PBFA-I, który stał się Saturnem. Protony zażądały innego akceleratora, PBFA-II, który stał się Z.

W grudniowym numerze „Popular Science” z 1976 roku oraz w materiałach konferencyjnych opublikowanych w 1977 roku, artykuł zatytułowany „Particle Beam Fusion Research” opisywał wczesne prace i maszyny pierwszej generacji: Hydra (1972); Proto I (1975); Proto II (1977); EBFA/PBFA (akcelerator syntezy wiązek elektronicznych/akcelerator fuzji wiązek cząstek) (1980).

W 1985 roku powstała PBFA-II. Sandia nadal dążyła do fuzji ciężkich jonów w wolnym tempie, pomimo raportu National Academies.

W listopadowym numerze Scientific American z 1978 r. ukazał się pierwszy ogólnodostępny artykuł Yonasa „Moc syntezy jądrowej z wiązkami cząstek”.

W międzyczasie w Sandii trwały również badania związane z obronnością z użyciem maszyny Hermes III i Saturna (1987), zmodernizowanej z PBFA-I, która działała z niższą całkowitą mocą niż PBFA-II, ale poszerzyła wiedzę Sandii w zakresie wysokiego napięcia i wysokiego prądu i była dlatego użyteczny poprzednik maszyny Z.

W 1996 roku armia amerykańska opublikowała raport o wycofaniu z eksploatacji symulatora promieniowania pulsacyjnego Aurora. Raport ten jest przydatny w zrozumieniu powiązań między testowaniem broni jądrowej a badaniami nad energią syntezy inercyjnej.

Również w 1996 r. maszyna PBFA-II została ponownie zmodernizowana do postaci PBFA-Z lub po prostu „maszyny Z”, po raz pierwszy opisana opinii publicznej w sierpniu 1998 r. w Scientific American.

Fizyka maszyny Z

Maszyna Z wykorzystuje dobrze znaną zasadę zaciskania Z, w której szybkie rozładowanie kondensatorów przez rurkę plazmy powoduje jej ściskanie w kierunku linii środkowej przez powstałe siły Lorentza . Bennet z powodzeniem badał zastosowanie skurczów Z w kompresji plazmowej. Układ maszyny Z jest cylindryczny. Na zewnątrz znajdują się ogromne kondensatory rozładowujące się przez generatory Marksa, które generują jednomikrosekundowy impuls wysokiego napięcia. Yonas następnie używa systemu do podzielenia tego czasu przez współczynnik 10, wykorzystując moc dielektryczną wody, aby umożliwić wyładowanie 100ns.

Jednak ten wysiłek nie powiódł się w przypadku Heavy Ion Fusion, ze względu na brak wystarczającego skupienia wiązek, pomimo zastosowanej dużej mocy. Od dawna było wiadomo, że siły Lorentza są promieniowe, ale przepływ prądu był bardzo niestabilny i obracał się wzdłuż cylindra, co powoduje skręcanie się rury implodującej, a tym samym obniża jakość kompresji.

Rosyjski naukowiec, Walentin Smirnow , wpadł na pomysł zastąpienia rury (zwanej „wkładką”) układem przewodów, aby zwalczyć azymutalny przepływ prądu, a tym samym zwalczyć niestabilność magnetohydrodynamiki (MHD). Placówka Angara V Instytutu Kurczatowa została zbudowana z tego samego powodu: aby pomóc w symulacji i zaprojektowaniu drugiego etapu bomb wodorowych oraz przetestować wpływ promieniowania rentgenowskiego o dużej mocy na głowice pocisków jądrowych. Przestrzeń wewnątrz siatki drucianej została wypełniona polistyrenem, co pomaga ujednorodnić strumień rentgenowski.

Każdy kraj rozwijający broń termojądrową ma własną maszynę Z, ale te, które nie używają linii wodnych, miały długo rosnące impulsy (na przykład 800ns w Sfinksie, francuskiej maszynie w Gramat ). W Wielkiej Brytanii maszyna Magpie znajdowała się w Imperial College pod kontrolą Malcolma Hainesa.

Usuwając rdzeń z polistyrenu, Sandia była w stanie uzyskać cienki 1,5 mm przewód plazmowy, w którym przepływało 10 milionów amperów pod ciśnieniem 90 megabarów.

Wczesne działanie 1996–2006

Kluczowymi atrybutami maszyny Z firmy Sandia są jej 18 milionów amperów i czas rozładowania poniżej 100 nanosekund . Szereg drutów wolframowych nazywa się „wykładziną”. W 1999 roku Sandia przetestowała pomysł zagnieżdżonych siatek przewodów; druga macierz, przesunięta w fazie z pierwszą, kompensuje niestabilności Rayleigha-Taylora . W 2001 roku Sandia wprowadziła laser Z-Beamlet (z nadwyżek wyposażenia National Ignition Facility ) jako narzędzie do lepszego obrazowania ściskającego się śrutu. Potwierdziło to równomierność kształtowania peletów sprasowanych maszyną Z.

Sandia ogłosiła połączenie niewielkich ilości deuteru w maszynie Z 7 kwietnia 2003 r.

Oprócz zastosowania jako generator promieni rentgenowskich, maszyna Z napędzała małe płyty z prędkością 34 kilometrów na sekundę, szybciej niż 30 kilometrów na sekundę, które Ziemia porusza się po orbicie wokół Słońca , i czterokrotnie większa od prędkości ucieczki Ziemi (3 razy w poziom morza). Udało się również stworzyć specjalny, hipergęsty „gorący lód” znany jako lód VII , szybko sprężając wodę do ciśnienia od 70 000 do 120 000 atmosfer (7 do 12 GPa ). Wstrząs mechaniczny spowodowany uderzeniem przyspieszonych pocisków Z-machine jest w stanie stopić diamenty.

Dobry przegląd różnych misji maszyny Z można znaleźć w raporcie komisji Trivelpiece z 2002 r., który dokonał przeglądu działań związanych z energią impulsową w Sandia.

W tym okresie moc wytwarzanego promieniowania rentgenowskiego skacze z 10 do 300 TW. Aby osiągnąć kolejny kamień milowy w zakresie progu rentowności syntezy jądrowej, konieczna była wówczas kolejna modernizacja

Dwa miliardy Kelwinów

Na początku 2006 roku maszyna Z produkowała plazmy o zapowiadanych temperaturach przekraczających 2 miliardy  Kelvina (2 × 109  K), 3,6 miliarda  °F (2 miliardy  °C ) lub 172 keV , osiągając nawet szczyt przy 3,7 × 10 9  K, 6,6 miliarda °F (3,7 miliarda  °C ) lub 319 keV. Osiągnięto to częściowo przez zastąpienie drutów wolframowych grubszymi drutami stalowymi. Ta temperatura, która umożliwia od 10% do 15% wydajności konwersji energii elektrycznej na miękkie promieniowanie rentgenowskie, była znacznie wyższa niż oczekiwano (od 3 do 4 razy więcej niż energia kinetyczna przychodzących przewodów na osi). Księdze Rekordów Guinnessa poprzednio wymienionych go jako najwyższa temperatura osiągnięta przez człowieka (na relatywistyczna Ciężkich Jonów Collider w Brookhaven National Laboratory i Large Hadron Collider mieć od produkowanych w wyższych temperaturach, choć w kilku w nuklearnej zamiast skali makroskopowej). Pochodzenie tej dodatkowej energii wciąż pozostaje niewyjaśnione, ale istnieją teorie, że turbulencje MHD na małą skalę i tłumienie lepkościowe przekształciłyby energię magnetyczną w energię cieplną jonów, które następnie przekazywałyby swoją energię elektronom poprzez zderzenia.

Horyzont

Proponowany model akceleratora typu Z-pinch o mocy 1 petawata LTD.
Średnica 104 m, 70 megaamperów, 24 megawolty.

Program modernizacji o wartości 60 milionów dolarów (podniesiony do 90 milionów dolarów) o nazwie ZR (Z Refurbished) został ogłoszony w 2004 roku w celu zwiększenia mocy o 50%. Maszyna Z została zdemontowana w lipcu 2006 roku w celu przeprowadzenia tej aktualizacji, w tym instalacji nowo zaprojektowanego sprzętu i komponentów oraz mocniejszych generatorów Marx . Sekcja wody dejonizowanej maszyny została zmniejszona do około połowy poprzedniego rozmiaru, podczas gdy sekcja oleju została znacznie rozszerzona, aby pomieścić większe pośrednie linie magazynowe (i-stores) i nowe wieże laserowe, które kiedyś znajdowały się w sekcja wodna. Remont zakończono w październiku 2007 roku. Nowsza maszyna Z może teraz wystrzelić około 26 milionów amperów (zamiast 18 milionów amperów wcześniej) w 95 nanosekund. Moc promieniowania została podniesiona do 350 terawatów, a moc wyjściowa promieniowania rentgenowskiego do 2,7 megadżuli . Jednak maksymalna temperatura, jaką może osiągnąć nowa wersja przy użyciu tej samej wkładki z drutu ze stali nierdzewnej, która była używana w 2005 roku, nie jest jeszcze znana.

Ultrawysokie temperatury osiągnięte w 2006 roku (2,66 do 3,7 miliarda kelwinów) są znacznie wyższe niż te wymagane w przypadku klasycznej syntezy wodoru , deuteru i trytu, którą rozważano wcześniej. Mogłyby pozwolić, teoretycznie, jeśli nie w praktyce, na fuzję lekkich atomów wodoru z cięższymi atomami, takimi jak lit czy bor . Te dwie możliwe reakcje syntezy jądrowej nie wytwarzają neutronów , a tym samym nie wytwarzają radioaktywności ani odpadów nuklearnych , więc otwierają możliwość czystej fuzji aneutronowej dokonanej przez człowieka .

Mapa drogowa Sandii obejmuje kolejną wersję maszyny Z, zwaną ZN (Z Neutron), do testowania wyższych wydajności w systemach zasilania i automatyzacji syntezy jądrowej. Planuje się, że ZN będzie dostarczać od 20 do 30 MJ mocy syntezy wodorowej z jednym strzałem na godzinę przy użyciu rosyjskiego sterownika transformatora liniowego (LTD) zastępującego obecne generatory Marksa. Po 8 do 10 latach działania ZN stałby się pilotażową instalacją transmutacyjną, zdolną do wystrzeliwania fuzji co 100 sekund.

Następnym planowanym krokiem byłby obiekt testowy Z-IFE (energia syntezy inercyjnej Z), pierwsza prawdziwa prototypowa elektrownia termojądrowa napędzana skurczem Z. Sugeruje się zintegrowanie najnowszych projektów Sandii z wykorzystaniem LTD. Sandia Labs niedawno zaproponowała koncepcyjną elektrownię o mocy 1 petawata (10 15 watów) LTD Z-pinch, w której wyładowania elektryczne osiągałyby 70 milionów amperów. Od 2012 roku symulacje fuzji termojądrowej przy 60 do 70 milionach amperów wykazują od 100 do 1000-krotny zwrot z energii wejściowej. Testy na maksymalnym poziomie 26-27 milionów amperów maszyny Z miały rozpocząć się w 2013 roku.

Program inercyjnej energii termojądrowej Z-Pinch

Dalsze informacje: Inercyjna elektrownia termojądrowa

Projekt Sandia Laboratories Z-IFE ma na celu rozwiązanie praktycznych trudności związanych z wykorzystaniem energii termojądrowej. Główne problemy obejmują wytwarzanie energii w jednym strzale Z-pinch i szybkie przeładowanie reaktora po każdym strzale. Według ich wczesnych szacunków, implozja kapsuły paliwowej co 10 sekund może ekonomicznie wyprodukować 300 MW energii termojądrowej.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki