Z Pulse Power Facility - Z Pulsed Power Facility

Координаты: 35 ° 02′08 ″ с.ш. 106 ° 32′33 ″ з.д. / 35.035451 ° с.ш.106.542522 ° з.д. / 35.035451; -106.542522

В Z Pulse Power Facility, неофициально известный как Z машина или же Z щепотка,^[1] самая большая высокая частота электромагнитная волна генератор в мире и предназначен для испытаний материалов в условиях экстремальных температур и давления. После ремонта в октябре 1996 г.^[2] он использовался в основном как термоядерный синтез с инерционным удержанием (ICF) научно-исследовательский центр. Сандийские национальные лаборатории, он собирает данные, чтобы помочь в компьютерное моделирование из ядерное оружие и в конечном итоге ядерные термоядерные импульсные электростанции. Z-машина находится на главной площадке Sandia в Альбукерке, Нью-Мексико.

Происхождение

Происхождение Z-машины можно проследить до Департамент энергетики необходимо воспроизвести реакции синтеза из термоядерная бомба в лабораторных условиях, чтобы лучше понять физику.

С 1970-х годов Министерство энергетики изучало способы к генерировать электричество из термоядерных реакций, с непрерывными реакциями, такими как токамаки или дискретное слияние маленьких шариков легких атомов. Поскольку в то время лазеры были далеки от необходимой мощности, основным рассматриваемым подходом был синтез тяжелых ионов.^[3] Однако основные достижения, такие как Q-переключение и синхронизация мод сделали лазеры вариант (завершающийся Национальный центр зажигания ), а программы Heavy Ion Fusion стали более или менее бездействующими. В 1985 году обзор программы DoE Национальными академиями^[4] заявил: «Энергетический кризис пока дремлет». Термоядерным машинам с тяжелыми ионами была поставлена ​​задача улучшить военные исследования. ядерные бомбы.

Первое исследование в Sandia датируется 1971 годом.^[5] где Джеральд Йонас^[6][7] 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 высокой 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 синтеза электронного пучка), а вскоре после этого - PBFA-I, который стал называться Saturn. Протоны потребовали еще один ускоритель, PBFA-II, которым стал Z.

В выпуске Popular Science за декабрь 1976 г.^[8] и в материалах конференции 1976 г., опубликованных в 1977 г., статья под названием «Исследование синтеза пучков частиц»^[9] описаны 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.^[10][11] Сандия продолжала медленно нацеливаться на синтез 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».^[12]

Тем временем в Сандиа также продолжались исследования, связанные с обороной, с использованием машины Гермес III и Сатурна (1987), модернизированной с PBFA-I, который работал с меньшей общей мощностью, чем PBFA-II, но расширял знания Сандии в области высокого напряжения и высокого тока и был поэтому полезный предшественник Z-машины.

В 1996 году армия США опубликовала отчет^[13] о выводе из эксплуатации имитатора импульсного излучения "Аврора". Этот отчет полезен для понимания связи между испытаниями ядерного оружия и исследованиями в области энергии инерционного синтеза.

Также в 1996 году машина PBFA-II была в очередной раз модернизирована.^[14] в PBFA-Z^[2] или просто «Z-машина», впервые описанная широкой публике в августе 1998 года в журнале Scientific American.^[15][16]

Физика машины Z

Машина Z использует хорошо известный принцип Z-защемление где быстрый разряд конденсаторов через трубку с плазмой заставляет ее сжиматься по направлению к центральной линии в результате Силы Лоренца. Беннет успешно исследовал применение Z-пинчей для сжатия плазмы. Компоновка станка Z - цилиндрическая. Снаружи дома огромные конденсаторы разрядка через Генераторы Маркса которые генерируют высоковольтный импульс длительностью 1 микросекунду. Затем Йонас использует систему, чтобы разделить это время на коэффициент 10, используя диэлектрик мощность воды, чтобы обеспечить создание разрядов 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 радиальные, но ток очень нестабилен и вращается вдоль цилиндра, что вызывает скручивание взрывающейся трубки, что снижает качество сжатия.

Русский ученый, Валентин Смирнов, затем возникла идея заменить трубку (называемую «лайнером») проволочной сеткой, чтобы бороться с азимутальным течением тока и, следовательно, бороться с Магнитогидродинамика (МГД) нестабильность. Ангара V^[17] объект Курчатовский институт был построен по той же причине: чтобы помочь смоделировать и спроектировать вторую ступень водородных бомб и проверить влияние рентгеновских лучей высокой мощности 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 у тех, кто не использует водопроводы, были длинные нарастающие импульсы (например, 800 нс на Сфинксе, французская машина на Грамат ). В Великобритании Сорока^[18] машина находилась на Имперский колледж под контролем Малькольма Хейнса.

Удалив полистироловую сердцевину, Sandia смогла получить тонкий плазменный шнур толщиной 1,5 мм, в котором протекало 10 миллионов ампер при давлении 90 мегабар.^{[нужна цитата ]}

Начало эксплуатации 1996–2006 гг.

Ключевые атрибуты машины Z Sandia^[19] его 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунды. Массив вольфрам Проволока называется «лайнер».^[20]В 1999 г. Сандия протестировала идею вложенных массивов проводов;^[21] второй массив, не совпадающий по фазе с первым, компенсирует Неустойчивости Рэлея-Тейлора В 2001 году Sandia представила лазер Z-Beamlet (из избыточного оборудования Национальный центр зажигания ) как инструмент для лучшего изображения сжимающейся гранулы.^[22] Это подтвердило однородность формы гранул, сжатых на Z-машине.

Sandia объявила о слиянии небольших количеств дейтерий в машине Z 7 апреля 2003 г.^[23]

Помимо использования в качестве генератора рентгеновских лучей, машина Z приводила в движение небольшие пластины со скоростью 34 километра в секунду, то есть быстрее, чем 30 километров в секунду, которые Земля движется по своей орбите вокруг Земли. солнце, и четыре раза Космическая скорость Земли (В 3 раза больше на уровне моря).^[24] Он также успешно создал особый сверхплотный «горячий лед», известный как лед VII, путем быстрого сжатия воды до давления от 70 000 до 120 000 атмосферы (От 7 до 12 ГПа ).^[25] Механический удар от разлетающихся снарядов Z-машины может плавить алмазы.^[26]

Хороший обзор различных задач машины Z можно найти в отчете комитета Trivelpiece 2002 года.^[27] в котором рассматривается импульсная энергетическая активность в Сандиа.

За это время мощность рентгеновского излучения увеличивалась с 10 до 300 ТВт.^[28] Для достижения следующего рубежа безубыточности слияния потребовалось еще одно обновление.^[29]

Два миллиарда Кельвинов

В начале 2006 года машина Z производила плазмы с заявленной температурой более 2 миллиардов.Кельвин (2 × 10⁹ K), 3,6 миллиарда° F (2000000000° C ) или 172 кэВ, даже достигнув пика при 3,7 × 10⁹ K, 6,6 миллиарда ° F (3,7 миллиарда° C ) или 319 кэВ.^[30][31][32]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 с 10% до 15%, была намного выше, чем ожидалось (в 3-4 раза выше кинетическая энергия входящих проводов на оси). В Книга рекордов Гиннеса ранее считалась самой высокой температурой, достигнутой человеком^[33] (в Релятивистский коллайдер тяжелых ионов в Брукхейвенская национальная лаборатория^[34] и Большой адронный коллайдер^{[нужна цитата ]} с тех пор производят более высокие температуры). Происхождение этой дополнительной энергии до сих пор остается невыясненным, но было высказано предположение, что мелкомасштабные MHD турбулентность и вязкое затухание преобразуют магнитную энергию в тепловую энергию ионов, которые затем передадут свою энергию электронам посредством столкновений.^[31][32]

Перспективы

Предлагаемая модель ускорителя z-пинча на базе LTD мощностью 1 петаватт.
Диаметр 104 м, 70 мегаампер, 24 мегавольта.

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%. Машина Z была разобрана в июле 2006 года для этой модернизации, включая установку нового оборудования и компонентов, а также более мощных Генераторы Маркса. Секция деионизированной воды в машине была уменьшена примерно до половины прежнего 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.^[35]Новая машина Z теперь может снимать около 26 миллионов ампер^[36] (вместо 18 миллионов ампер ранее) за 95 наносекунд. Излучаемая мощность была увеличена до 350 тераватт, а выходная энергия рентгеновского излучения - до 2,7 мегаджоули. Однако максимальная температура, которую может достичь новая версия с тем же рекордсменом. нержавеющая сталь лайнер с проволочной решеткой, использованный в 2005 году, пока не известен.

Сверхвысокие температуры, достигнутые в 2006 году (от 2,66 до 3,7 миллиардов кельвинов), намного выше, чем требуемые для классической водород, дейтерий и тритий сплавление ранее рассматривалось. Они могли бы позволить, теоретически, если не на практике, слияние легких атомов водорода с более тяжелыми атомами, такими как литий или же бор. Эти две возможные реакции слияния не вызывают нейтроны, поэтому нет радиоактивность или же ядерные отходы, поэтому они открывают возможность аневтронный синтез.^{[нужна цитата ]}

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. ЗН планирует дать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода с выстрелом в час с использованием российского Драйвер линейного трансформатора (LTD) заменяет нынешние генераторы Маркса.^[37] После 8-10 лет работы ZN станет экспериментальной установкой по трансмутации, способной производить термоядерный взрыв каждые 100 секунд.^[38]

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 мощность в 1 петаватт (10¹⁵ Вт) LTD Электростанция Z-pinch, где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер.^[39] По состоянию на 2012 год моделирование термоядерных взрывов при токе 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.^{[40][41][требуется разъяснение ]}

Программа Z-Pinch Inertial Fusion Energy

В Sandia Laboratories Z-IFE проект^[42] направлена ​​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

Рекомендации

внешняя ссылка

• Домашняя страница Z Pulsed Power Facility
• "Машина по имени Z", статья из Наблюдатель
• Новости физики, 28 февраля 2006 г.