Координаты :35 ° 02′08 ″ с.ш., 106 ° 32′33 ″ з.д. / 35.035451 ° с.ш.106.542522 ° з.д.
Z-Машина , неофициально известная как Z - машина или Z - пинч , [1] является самым большим высокой частотой электромагнитной волны генератором в мире и предназначена для испытаний материалов в условиях экстремальной температуры и давления. После реконструкции в октябре 1996 г. [2] 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 термоядерных импульсно 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). [3] Однако крупные достижения, такие как модуляция добротности и синхронизация мод, сделали лазеры опцией (кульминацией которой стало создание Национального центра зажигания ), и программы HIF стали более или менее бездействующими. В 1985 году в обзоре программы DoE Национальными академиями [4] говорилось, что «Энергетический кризис пока неактивен». Машины HIF должны были помочь военным исследованиям улучшить ядерные бомбы .
Первое исследование в Сандиа датируется 1971 годом [5], когда Герольд 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 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 в акцентах: сначала ускоритель назывался EBFA-I (ускоритель синтеза электронного пучка), а 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 [8] за 1976 год [8] и в материалах конференции 1976 года, опубликованных в 1977 году, статья под названием «Исследование синтеза пучка частиц» [9] 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. [10] [11] Сандиа продолжала нацеливаться на термоядерный синтез тяжелых ионов в медленном темпе, 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 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 г. 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 еще раз модернизирована [14] до PBFA-Z [2] или просто «Z машины», впервые описанной широкой публике в августе 1998 года в Scientific American. [15] [16]
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). Ангара В [17] объект в Курчатовском институте был построен по той же причине: помочь моделировать и проектировать второй этап водородных бомб и проверить эффект высокой мощности рентгеновских лучей на боеголовок 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 [18] находилась 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. [ необходима цитата ]
Начало эксплуатации 1996–2006 гг.
Ключевыми атрибутами Z-машины Sandia [19] являются ее 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунд . Массив вольфрамовых проволок называется лайнером. [20] В 1999 г. Сандия проверила 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 Национального центра зажигания ) в качестве инструмента для лучшего изображения сжимающейся гранулы. [22] Это подтвердило однородность формы гранул, сжатых на Z-машине.
Сандия объявила о синтезе небольших количеств дейтерия в Z-машине 7 апреля 2003 г. [23]
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). [24] 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 ). [25] Механический удар от разлетающихся снарядов Z-машины может плавить алмазы. [26]
Хороший обзор различных задач Z-машины можно найти в отчете комитета Trivelpiece от 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 следующей вехи безубыточности термоядерного синтеза потребовалось еще одно обновление [29]
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. [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 от 10% до 15%, была намного выше, чем ожидалось (в 3-4 раза превышала кинетическую энергию входящих проводов на оси). Книгу Гиннесса , ранее перечисленные в качестве его самой высокой температуре человеческого-достигнуто [33] ( коллайдере релятивистских ионов в Brookhaven National Laboratory [34] и Большой адронный коллайдер [ править ] С тех пор , произведенные более высокие температуры). 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. [31] [32]
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%. Машина Z была разобрана в июле 2006 года 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. [35] Более новая Z-машина теперь может вырабатывать 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 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 . [ необходима 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. ZN планирует выдавать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода с выстрелом в час, используя российский драйвер линейного трансформатора (LTD), заменяющий существующие 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 Z-образную электростанцию LTD мощностью 1 петаватт (10 15 Вт), где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер. [39] 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 при нынешней конструкции машины Z должны были начаться в 2013 году. [40] [41] [ требуется пояснение ]
Программа Z-Pinch Inertial Fusion Energy
Проект Sandia Laboratories Z-IFE [42] 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
Рекомендации
- ^ Штейн, Бен (март 2002). "Мошенническая физика" Одиннадцати друзей Оушена " " . Новости APS . 11 (3) . Проверено 28 июля 2020 .
- ^ а б «Сандианские национальные лаборатории - выпуски новостей» . Sandia.gov. Архивировано 9 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Часто задаваемые вопросы» . Fusionpowercorporation.com. Архивировано 21 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ "Обзор ICF 1985 года национальными академиями" . Fusionpowercorporation.com. Архивировано 21 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ Публикации программы термоядерного синтеза с пучками частиц и соответствующие отчеты, январь 1971 г. - июль 1979 г. (Book, 1979) . WorldCat.org. 2015-05-02. ISBN 9780553589955. OCLC 079670227 .
- ^ Видео на YouTube
- ^ «Джерри Йонас: резюме» (PDF) . Bnsl.org. Архивировано из оригинального (PDF) 20 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Популярная наука» . Декабрь 1976 . Проверено 20 июня 2015 - через Google Книги .
- ^ "Физика плазмы и исследования управляемого ядерного синтеза, 1976: Том 1" (PDF) . Naweb.iaea.org. Архивировано (PDF) из оригинала 03.03.2016 . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ "Сатурн Пресс-релиз" . Sandia.gov. Архивировано 24 сентября 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ Харрисон, Дж. Л. (октябрь 1979 г.). "Система контроля и мониторинга PBFA | SciTech Connect" (PDF) . Osti.gov . Проверено 20 июня 2015 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Йонас, Г. (1978). «Термоядерная энергия с пучками частиц». Scientific American . Adsabs.harvard.edu. 239 (5): 50–61. Bibcode : 1978SciAm.239e..50Y . DOI : 10.1038 / Scientificamerican1178-50 .
- ^ [1]
- ^ Спилман, РБ; Бриз, Сан-Франциско; Дини, К. (июль 1996 г.). "PBFA Z: Z-пинч-драйвер 20 МА для источников излучения плазмы | SciTech Connect" (PDF) . Osti.gov . Проверено 20 июня 2015 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ [2] [ мертвая ссылка ]
- ^ [3]
- ^ [4] [ мертвая ссылка ]
- ^ [5]
- ^ «Сандианские национальные лаборатории - выпуски новостей» . Sandia.gov. Архивировано 9 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Ускоритель Sandia Z» . Sandia.gov. Архивировано 28 апреля 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Пресс-релиз - Z машина» . Sandia.gov. Архивировано 07 июня 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ Нил Сингер. "Пресс-релиз - Z-Beamlet" . Sandia.gov. Архивировано 24 сентября 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ [6]
- ^ "Национальные лаборатории Сандии: Новости: Название" . Share.sandia.gov. 2005-06-06. Архивировано 4 марта 2016 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Лед, созданный за наносекунды Z-машиной Сандии - 15 марта 2007 года» . Sandia.gov. 2007-03-15. Архивировано 17 октября 2011 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Z-машина плавит алмаз в лужу» . Share.sandia.gov. 2006-11-02. Архивировано 4 марта 2016 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Отчет Комитета по экспертной оценке импульсной мощности» (PDF) . Sandia.gov. Архивировано из оригинального (PDF) 03 марта 2016 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «График импульсной мощности» (PDF) . Sandia.gov. Архивировано 24 сентября 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Ремонт Z на сумму 61,7 миллиона долларов для расширения возможностей термоядерной машины» . Share.sandia.gov. Архивировано 4 марта 2016 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Машина Z Сандии превышает два миллиарда градусов Кельвина» . Share.sandia.gov. 2006-03-08. Архивировано 5 ноября 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ а б Haines, MG; LePell, PD; Ковердейл, Калифорния; Джонс, Б.; Deeney, C .; Апрузезе, JP (23 февраля 2006 г.). «Ионно-вязкий нагрев в магнитогидродинамически неустойчивом пинче при температуре более 2 × 10 9 Кельвинов» (PDF) . Письма с физическим обзором . 96 (7): 075003. Bibcode : 2006PhRvL..96g5003H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.075003 . PMID 16606100 . Архивировано (PDF) из оригинала 07.04.2018 . Проверено 7 апреля 2018 .
- ^ а б Пети, Ж.-П. «Машина Z: более двух миллиардов градусов! Бумага Малкольма Хейнса» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2018-04-05 . Проверено 7 апреля 2018 .
- ^ Глендей, Крэйг (29 апреля 2008 г.). Книга рекордов Гиннеса 2008 - Google Книги . ISBN 9780553589955. Проверено 20 июня 2015 - через Google Книги .
- ^ «BNL Newsroom |« Идеальная »жидкость, достаточно горячая, чтобы быть творожным супом» . Bnl.gov. 2010-02-15. Архивировано 20 августа 2012 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Успешные выстрелы - сигнал об открытии гигантского ускорителя Z Sandia - 17 октября 2007 года» . Sandia.gov. 2007-10-17. Архивировано 02 апреля 2010 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Про Z» . Сандийские национальные лаборатории. Архивировано 30 октября 2016 года . Проверено 30 октября 2016 года .
- ^ «Национальные лаборатории Сандии: Новости: Публикации: Новости лаборатории Сандии: 27 апреля 2007 г.» . Sandia.gov. 2007-04-27. Архивировано 24 сентября 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Z-инерционная термоядерная энергия: Заключительный отчет электростанции за 2006 финансовый год» (PDF) . Сандийские национальные лаборатории . Проверено 22 ноября 2020 .
- ^ "Архитектура ускорителей z-пинча петаваттного класса" (PDF) . Sandia.gov. Архивировано из оригинального (PDF) 03 марта 2016 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ «Национальные лаборатории Сандиа: выпуски новостей: моделирование ядерного синтеза демонстрирует высокий выход энергии» . Share.sandia.gov. 2012-03-20. Архивировано 14 июля 2015 года . Проверено 20 июня 2015 .
- ^ Уэйт Гиббс (30 декабря 2013 г.). «Метод тройной угрозы вселяет надежду на термоядерный синтез; секреты его успеха - лазеры, магниты и большая щепотка» . Природа . 505 (7481): 9–10. Bibcode : 2014Natur.505 .... 9G . DOI : 10.1038 / 505009a . PMID 24380935 .
- ^ "Энергия инерционного синтеза Z-пинча" (PDF) . Fire.pppl.gov. Архивировано (PDF) из оригинала 03.03.2016 . Проверено 20 июня 2015 .
Внешние ссылки
- Домашняя страница Z Pulsed Power Facility
- «Машина по имени Z» , статья из The Observer
- Новости физики , 28 февраля 2006 г.