35°02′08″с.ш. 106°32′33″з.д. / 35.035451°с.ш. 106.542522°з.д. / 35.035451; -106.542522
.jpg/1280px-The_Z_Machine_(8056998596).jpg)
Установка импульсной мощности Z , неофициально известная как машина Z или просто Z , [1] является крупнейшим в мире генератором высокочастотных электромагнитных волн , эксплуатируемым Sandia National Laboratories в Альбукерке, штат Нью-Мексико .
В первую очередь он использовался как исследовательская установка для инерциального термоядерного синтеза (ICF), включая подход с использованием магнитного лайнера инерциального термоядерного синтеза (MagLIF), а также для испытания материалов в условиях экстремальных температур и давлений. В частности, он собирает данные для помощи в компьютерном моделировании ядерного оружия и возможных термоядерных импульсных электростанций .
Происхождение Z-машины можно проследить до Министерства энергетики (DoE), которому было необходимо воспроизвести реакции синтеза термоядерной бомбы в лабораторных условиях, чтобы лучше понять физику происходящего. С 1970-х годов DoE также изучало способы получения электроэнергии из реакций синтеза .
Первое исследование в Sandia, возглавляемое Герольдом Йонасом [2] [3] – программа по термоядерному синтезу с пучками частиц – датируется 1971 годом. [4] Эта программа пыталась создать термоядерный синтез путем сжатия топлива пучками заряженных частиц. Электроны были первыми частицами, о которых задумались, поскольку импульсные ускорители мощности в то время уже концентрировали их с высокой мощностью на небольших участках. Однако вскоре после этого стало ясно, что электроны не могут достаточно быстро нагревать термоядерное топливо для этой цели. Затем программа отошла от электронов в пользу протонов. Они оказались слишком легкими, чтобы достаточно хорошо контролироваться для концентрации на мишени, и программа перешла к легким ионам, литию. Названия ускорителей отражают изменение акцентов: сначала ускоритель назывался EBFA-I (электронно-лучевой ускоритель термоядерного синтеза), вскоре после этого PBFA-I, который стал Saturn. Протоны потребовали другого ускорителя, PBFA-II, который стал Z.
В выпуске журнала Scientific American за ноябрь 1978 года была опубликована первая статья Йонаса для широкой публики «Энергия термоядерного синтеза с использованием пучков частиц» [5] .
В 1985 году был создан PBFA-II. [6] [7] Sandia продолжала медленными темпами работать над созданием реактора с тяжелыми ионами, несмотря на доклад Национальной академии.
Тем временем в Sandia также продолжались исследования, связанные с обороной, с помощью машины Hermes III и Saturn (1987), модернизированной из PBFA-I, которая работала с меньшей общей мощностью, чем PBFA-II, но расширила знания Sandia в области высокого напряжения и высокого тока и, следовательно, стала полезным предшественником машины Z.
Также в 1996 году машина PBFA-II была снова модернизирована [8] до PBFA-Z [9] или просто «машины Z», впервые описанной широкой публике в августе 1998 года в журнале Scientific American . [10]
Машина Z использует известный принцип Z-пинча для производства горячей короткоживущей плазмы. Плазму можно использовать в качестве источника рентгеновских лучей, в качестве заменителя внутренней части термоядерного оружия или в качестве заменителя ядра термоядерной электростанции.
В Z-пинче быстрый разряд тока через столб плазмы заставляет его сжиматься по направлению к своей оси результирующими силами Лоренца , тем самым нагревая его. Уиллард Харрисон Беннетт успешно исследовал применение Z-пинчей для сжатия плазмы. Компоновка Z-машины цилиндрическая. Снаружи она размещает огромные конденсаторы , разряжающиеся через генераторы Маркса , которые генерируют импульс высокого напряжения длительностью в одну микросекунду. Затем этот импульс сжимается в 10 раз, что позволяет создавать разряды длительностью 100 нс.
Большинство экспериментов на Z-машине запускают разряд тока через проводящую трубку (называемую лайнером ), заполненную газом. Этот подход известен как инерционный термоядерный синтез с намагниченным лайнером , или MagLIF. Сжатие Z-пинча MagLIF ограничено, поскольку поток тока крайне нестабилен и вращается вдоль цилиндра, что вызывает скручивание сжимающейся трубки, тем самым снижая качество сжатия.
Машина Z также проводила эксперименты с массивами вольфрамовых проволок вместо вкладышей. Пространство внутри массива проволок было заполнено полистиролом, что способствовало гомогенизации потока рентгеновских лучей. Удалив полистироловый сердечник, Sandia смогла получить тонкий плазменный шнур толщиной 1,5 мм, в котором протекало 10 миллионов ампер при давлении 90 мегабар. [ необходима цитата ]
Ключевыми характеристиками машины Sandia Z [11] являются ее 18 миллионов ампер тока и время разряда менее 100 наносекунд . Этот разряд тока первоначально проходил через массив вольфрамовых проводов. [12] В 1999 году Sandia протестировала идею вложенных массивов проводов; [13] второй массив, не совпадающий по фазе с первым, компенсирует нестабильности Рэлея-Тейлора . В 2001 году Sandia представила лазер Z-Beamlet (из избыточного оборудования Национального центра зажигания ) в качестве инструмента для лучшего изображения сжимаемой гранулы. [14] Это подтвердило однородность формы гранул, сжатых машиной Z.
В 1999 году Sandia начала проект Z-IFE, [15] целью которого было решить практические трудности в использовании термоядерной энергии. Основные проблемы включали производство энергии за один выстрел Z-пинча и быструю перезагрузку реактора после каждого выстрела. По их ранним оценкам, взрыв топливной капсулы каждые 10 секунд мог бы экономично производить 300 МВт термоядерной энергии.
7 апреля 2003 года компания Sandia объявила о синтезе небольших количеств дейтерия в машине Z. [16]
Помимо использования в качестве генератора рентгеновских лучей, Z-машина перемещала небольшие пластины со скоростью 34 километра в секунду, что быстрее 30 километров в секунду, с которыми Земля движется по своей орбите вокруг Солнца , и в четыре раза больше скорости убегания Земли (в три раза больше на уровне моря). [17] Она также успешно создала особый, 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 ). [18] Механический удар от удара ускоренных снарядов Z-машины способен расплавить алмазы. [19]
В этот период мощность производимого рентгеновского излучения возросла с 10 до 300 ТВт. [20] Для того чтобы достичь следующего рубежа безубыточности термоядерного синтеза, потребовалась еще одна модернизация [21]
В 2004 году была объявлена программа модернизации стоимостью 60 миллионов долларов (увеличенная до 90 миллионов долларов) под названием ZR (Z Refurbished) для увеличения ее мощности на 50%. Машина Z была демонтирована в июле 2006 года для этой модернизации, включая установку нового оборудования и компонентов и более мощных генераторов Маркса . Секция деионизированной воды машины была уменьшена примерно до половины предыдущего размера, в то время как масляная секция была значительно расширена для размещения более крупных промежуточных линий хранения (i-stores) и новых лазерных башен, которые раньше располагались в водной секции. Реконструкция была завершена в октябре 2007 года. [22] Новая машина Z теперь может стрелять около 26 миллионов ампер [23] (вместо 18 миллионов ампер ранее) за 95 наносекунд. Излучаемая мощность была увеличена до 350 тераватт, а выходная энергия рентгеновского излучения — до 2,7 мегаджоулей . В 2006 году эксперименты с проволочными массивами достигли сверхвысоких температур (от 2,66 до 3,7 миллиардов кельвинов). [24]
План компании Sandia на будущее включает еще одну версию машины Z под названием ZN (Z Neutron) для тестирования более высокой производительности в системах термоядерной энергетики и автоматизации. Планируется, что ZN будет выдавать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода с выстрелом в час, используя российский линейный трансформаторный драйвер (LTD), заменяющий текущие генераторы Marx. [25] После 8–10 лет эксплуатации ZN станет пилотной установкой трансмутации, способной производить выстрел термоядерного синтеза каждые 100 секунд. [26]
Следующим запланированным шагом будет испытательный стенд Z-IFE (Z-inertial fusion energy), первый настоящий прототип термоядерной электростанции, работающий на z-pinch. Предполагается, что он будет интегрировать последние разработки Sandia с использованием LTD. Sandia Labs недавно предложила концептуальную 1 петаваттную (10 15 Вт) LTD Z-pinch электростанцию, где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер. [27] По состоянию на 2012 год моделирование термоядерного выстрела при 60-70 миллионах ампер показывает 100-1000-кратную отдачу от входной энергии. Испытания на текущем проектном максимуме Z-машины в 26-27 миллионов ампер должны были начаться в 2013 году. [28] [29] [ необходимо разъяснение ]