stringtranslate.com

Установка импульсной энергии Z

35 ° 02'08 "N 106 ° 32'33" W  /  35,035451 ° N 106,542522 ° W  / 35,035451; -106,542522

Вид сверху через объектив «рыбий глаз» на машину Z в Национальной лаборатории Сандия. Из-за чрезвычайно высокого напряжения оборудование электропитания погружено в концентрические камеры объемом 2 мегалитра (2000 м³) трансформаторного масла и 2,3 мегалитра (2300 м³) деионизированной воды , которые действуют как изоляторы . Тем не менее, электромагнитный импульс, когда машина разряжается, вызывает впечатляющую молнию, называемую «вспышкой», которую можно увидеть вокруг многих металлических предметов в машине.
Z-сечение машины
Схема машины Z

Установка Z Pulsed Power Facility , неофициально известная как Z-машина или Z , [1] является крупнейшим генератором высокочастотных электромагнитных волн в мире и предназначена для испытаний материалов в условиях экстремальных температур и давлений. Первоначально он назывался PBFA-II и был создан в 1985 году. После реконструкции в октябре 1996 года [2] он использовался в основном как исследовательская установка по инерциальному термоядерному синтезу (ICF). Управляемый Национальной лабораторией Сандия в Альбукерке, штат Нью-Мексико , он собирает данные, необходимые для компьютерного моделирования ядерного оружия и возможных термоядерных импульсных электростанций .

История

Происхождение машины Z можно проследить до того, что Министерству энергетики нужно было воспроизвести реакции термоядерной бомбы в лабораторных условиях, чтобы лучше понять физику, связанную с ней.

С 1970-х годов Министерство энергетики искало способы получения электричества за счет реакций термоядерного синтеза с помощью непрерывных реакций, таких как токамаки или дискретного синтеза небольших 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 возможным вариантом (кульминацией которого стал Национальный центр зажигания ), и программы HIF стали более или менее бездействующими. В 1985 году в обзоре программы Министерства энергетики, проведенном Национальными академиями [4], говорилось: «Энергетический кризис пока дремлет». Машинам HIF было поручено помочь военным исследованиям усовершенствовать ядерные бомбы .

Первые исследования в Сандии датируются 1971 годом [5] , когда Герольд Йонас [6] [7] инициировал и руководил программой термоядерного синтеза. Электроны были первыми частицами, о которых пришло в голову, потому что импульсные мощные ускорители того времени уже концентрировали их на большой мощности на небольших участках. Однако вскоре после этого стало понятно, что электроны не могут нагревать термоядерное топливо достаточно быстро для этой цели. Затем программа отошла от электронов в пользу протонов. Они оказались слишком легкими, чтобы их можно было достаточно хорошо контролировать и сконцентрироваться на цели, и программа перешла к легким ионам лития. Названия ускорителей отражают изменение акцентов: сначала ускоритель назывался EBFA-I (ускоритель электронно-лучевого синтеза), вскоре после этого PBFA-I, который стал Сатурном. Протоны потребовали еще один ускоритель, PBFA-II, который стал Z.

В декабрьском выпуске журнала Popular Science [8] за 1976 год и в материалах конференции 1976 года, опубликованных в 1977 году, статья под названием «Исследование в области термоядерного синтеза частиц» [9] описывала ранние работы и машины первого поколения: Hydra (1972); Прото I (1975); Прото II (1977); EBFA/PBFA (электронно-лучевой ускоритель термоядерного синтеза/ускоритель лучевого синтеза частиц) (1980).

В 1985 году был создан PBFA-II. [10] [11] Сандия продолжал медленно заниматься синтезом тяжелых ионов, несмотря на отчет Национальной академии.

В ноябрьском номере журнала Scientific American за 1978 год была опубликована первая общедоступная статья Йонаса «Энергия термоядерного синтеза с пучками частиц». [12]

Тем временем в Сандии также продолжались исследования, связанные с обороной, с использованием машины «Гермес III» и «Сатурн» (1987 г.), модернизированной с PBFA-I, которая работала при меньшей общей мощности, чем PBFA-II, но расширила знания Сандии в области высокого напряжения и сильного тока и была следовательно, полезный предшественник машины Z.

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 термоядерного синтеза.

Также в 1996 году машина PBFA-II была еще 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

В машине Z используется хорошо известный принцип Z-пинча , при котором быстрый разряд конденсаторов через плазменную трубку заставляет ее сжиматься к центральной линии возникающими в результате силами Лоренца . Беннет успешно исследовал применение Z-пинчей для сжатия плазмы. Компоновка машины Z цилиндрическая. Снаружи в нем расположены огромные конденсаторы , разряжающиеся через генераторы Маркса , генерирующие импульс высокого напряжения длительностью в микросекунду. Затем Йонас использует систему, которая делит это время на коэффициент 10, используя диэлектрическую способность воды, чтобы обеспечить создание разрядов длительностью 100 нс.

Однако эта попытка не увенчалась успехом для синтеза тяжелых ионов из-за отсутствия достаточной фокусировки лучей, несмотря на использованную высокую мощность. Давно было известно, что силы Лоренца имеют радиальный характер, но поток тока был крайне нестабильным и вращался вдоль цилиндра, что вызывало закручивание сжимающейся трубки, что ухудшало качество сжатия.

Тогда у российского ученого Валентина Смирнова возникла идея заменить трубку (так называемую «лайнер») проволочной решеткой, чтобы бороться с азимутальным потоком тока и, следовательно, бороться с магнитогидродинамической ( МГД) нестабильностью. Установка «Ангара-5» [17] Курчатовского института была построена по той же причине: для моделирования и проектирования второй ступени водородных бомб, а также для проверки воздействия рентгеновских лучей высокой мощности на боеголовки ядерных ракет. Пространство внутри массива проводов было заполнено полистиролом, что способствует гомогенизации рентгеновского потока.

Любая страна, разрабатывающая термоядерное оружие, имеет свою собственную машину Z, но те, кто не использует водопроводы, имеют длинные нарастающие импульсы (например, 800 нс в Сфинксе, французской машине в Грамате ). В Великобритании машина «Сорока» [18] находилась в Имперском колледже под управлением Малкольма Хейнса .

Удалив полистироловую сердцевину, Сандиа смог получить тонкий плазменный шнур толщиной 1,5 мм, по которому текла сила тока 10 миллионов ампер и давление 90 мегабар. [ нужна цитата ]

Начало эксплуатации 1996–2006 гг.

Ключевыми характеристиками Z-машины Сандиа [19] являются ее ток в 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунд . Массив вольфрамовых проволок называется «лайнером». [20] В 1999 году Сандиа протестировал идею вложенных проводных массивов; [21] вторая решетка, противофазная первой, компенсирует нестабильности 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, спрессованных на машине Z.

Сандиа объявил о синтезе небольшого количества дейтерия в машине Z 7 апреля 2003 г. [23]

Помимо использования в качестве генератора рентгеновского излучения, машина Z приводила в движение небольшие тарелки со скоростью 34 километра в секунду, что быстрее, чем 30 километров в секунду, с которыми Земля движется по своей орбите вокруг Солнца , и в четыре раза превышает скорость убегания Земли (в 3 раза больше, чем при скорости вращения Земли на орбите вокруг Солнца). уровень 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 атмосфер (от 7 до 12 ГПа ). [25] Механический удар от попадания ускоренных снарядов Z-машины способен расплавить алмазы. [26]

Хороший обзор различных задач машины Z можно найти в отчете комитета Trivelpiece за 2002 год [27] , в котором рассматривалась деятельность в области импульсной энергии в Сандии.

За этот период мощность рентгеновского излучения подскочила от 10 до 300 ТВт. [28] Чтобы достичь следующего рубежа безубыточности слияния, потребовалось еще одно обновление [29]

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), направленной на увеличение его мощности на 50%. Машина Z была демонтирована в июле 2006 года для этой модернизации, включая установку нового оборудования и компонентов, а также более мощных генераторов Маркса . Секция деионизированной воды машины была уменьшена примерно вдвое по сравнению с предыдущим размером, в то время как секция масла была значительно расширена, чтобы разместить более крупные линии промежуточного хранения (интернет-магазины) и новые лазерные башни, которые раньше располагались в водная секция. Ремонт был завершен в октябре 2007 года. [30] Новая машина Z теперь может выдавать ток около 26 миллионов ампер [31] (вместо 18 миллионов ампер ранее) за 95 наносекунд. Излучаемая мощность увеличена до 350 тераватт, а мощность рентгеновского излучения — до 2,7 мегаджоулей . Однако максимальная температура, которую может достичь новая версия с той же самой рекордной проволочной сеткой из нержавеющей стали , использованной 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 необходимы для ранее рассмотренного классического синтеза водорода , дейтерия и трития . Теоретически, если не на практике, они могли бы позволить осуществить синтез легких атомов водорода с более тяжелыми атомами, такими как литий или бор . Эти две возможные реакции синтеза не производят нейтронов и, следовательно, не производят радиоактивности или ядерных отходов , поэтому они открывают возможность искусственного чистого анейтронного синтеза . [ нужна цитата ]

Дорожная карта Sandia включает еще одну версию машины Z под названием ZN (Z Neutron) для тестирования более высокой производительности в термоядерных системах и системах автоматизации. Планируется, что ZN будет давать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода за один выстрел в час с использованием российского драйвера линейного трансформатора (LTD), заменяющего нынешние генераторы Маркса. [32] После 8–10 лет эксплуатации ЗН станет пилотной трансмутационной установкой, способной производить термоядерный выстрел каждые 100 секунд. [33]

Следующим запланированным шагом станет испытательная установка Z-IFE (энергия Z-инерционного термоядерного синтеза), первый прототип термоядерной электростанции с приводом от z-пинча. Предполагается, что он будет интегрировать последние разработки Sandia с помощью LTD. Sandia Labs недавно предложила концептуальную электростанцию ​​LTD Z-пинч мощностью 1 петаватт (10 15 Вт), где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер. [34] По состоянию на 2012 год моделирование термоядерных выстрелов при токе от 60 до 70 миллионов ампер показывает отдачу от вложенной энергии в 100–1000 раз. Испытания при нынешнем расчетном максимуме машины Z в 26-27 миллионов ампер должны были начаться в 2013 году. [35] [36] [ нужны разъяснения ]

Программа Z-Pinch Inertial Fusion Energy

Проект Z-IFE Sandia Laboratories [37] направлен на решение практических трудностей в использовании термоядерной энергии. Основные проблемы включают производство энергии за один выстрел Z-пинча и быструю перезагрузку реактора после каждого выстрела. По их предварительным оценкам, взрыв топливной капсулы каждые 10 секунд может экономически производить 300 МВт термоядерной энергии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Штейн, Бен (март 2002 г.). «Физика мошенника из «Одиннадцати друзей Оушена»». Новости АПС . Том. 11, нет. 3 . Проверено 28 июля 2020 г.
  2. ^ ab "Национальные лаборатории Сандии - Выпуски новостей". Sandia.gov. Архивировано из оригинала 9 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  3. ^ «Часто задаваемые вопросы». Fusionpowercorporation.com. Архивировано из оригинала 21 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  4. ^ "Обзор ICF 1985 года, проведенный национальными академиями" . Fusionpowercorporation.com. Архивировано из оригинала 21 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  5. ^ Публикации программы термоядерного синтеза и соответствующие отчеты, январь 1971 г. - июль 1979 г. (Книга, 1979) . WorldCat.org. 2 мая 2015 г. ISBN 9780553589955. ОСЛК  079670227.
  6. ^ Видео на YouTube
  7. ^ «Джерри Йонас: Резюме» (PDF) . Bnsl.org. Архивировано из оригинала (PDF) 20 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  8. ^ «Популярная наука». Декабрь 1976 года . Проверено 20 июня 2015 г. - через Google Книги .
  9. ^ «Физика плазмы и исследования управляемого ядерного синтеза, 1976: Том 1» (PDF) . Naweb.iaea.org. Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  10. ^ "Выпуск новостей Сатурна". Sandia.gov. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  11. ^ Харрисон, JL (октябрь 1979 г.). «Система управления и мониторинга PBFA | SciTech Connect» (PDF) . Osti.gov . Проверено 20 июня 2015 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  12. ^ Йонас, Г. (1978). «Энергия термоядерного синтеза с пучками частиц». Научный американец . Adsabs.harvard.edu. 239 (5): 50–61. Бибкод : 1978SciAm.239e..50Y. doi : 10.1038/scientificamerican1178-50.
  13. ^ «Архивная копия» (PDF) . lcweb2.loc.gov . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июня 2013 года . Проверено 17 января 2022 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  14. ^ Спилман, РБ; Бриз, Сан-Франциско; Дини, К. (июль 1996 г.). «PBFA Z: драйвер z-пинча с током 20 мА для источников плазменного излучения | SciTech Connect» (PDF) . Osti.gov . Проверено 20 июня 2015 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  15. ^ [1] [ неработающая ссылка ]
  16. ^ "Ядерный синтез и осевое сжатие. Pour la Science - февраль 1998" . www.pescadoo.net . Архивировано из оригинала 4 октября 2012 года . Проверено 17 января 2022 г.
  17. ^ [2] [ неработающая ссылка ]
  18. ^ "Домашняя страница проекта Magpie" . dorland.pp.ph.ic.ac.uk . Архивировано из оригинала 23 сентября 2006 года . Проверено 17 января 2022 г.
  19. ^ "Национальные лаборатории Сандии - Выпуски новостей" . Sandia.gov. Архивировано из оригинала 9 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  20. ^ "Ускоритель Sandia Z" . Sandia.gov. Архивировано из оригинала 28 апреля 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  21. ^ "Выпуск новостей - Машина Z" . Sandia.gov. Архивировано из оригинала 7 июня 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  22. ^ Нил Сингер. «Выпуск новостей - Z-Beamlet». Sandia.gov. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  23. ^ «Национальные лаборатории Сандии — Выпуск новостей — Z производит термоядерные нейтроны» . www.sandia.gov . Архивировано из оригинала 3 июня 2003 года . Проверено 17 января 2022 г.
  24. ^ «Национальные лаборатории Сандии: Новости: Название» . Share.sandia.gov. 6 июня 2005 г. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  25. ^ «Лед, созданный за наносекунды машиной Z Сандии - 15 марта 2007 г.» Sandia.gov. 15 марта 2007 г. Архивировано из оригинала 17 октября 2011 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  26. ^ «Машина Z плавит алмаз в лужу» . Share.sandia.gov. 02.11.2006. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  27. ^ «Отчет комитета по экспертной оценке импульсной энергетики» (PDF) . Sandia.gov. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  28. ^ «График импульсной мощности» (PDF) . Sandia.gov. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  29. ^ «Реконструкция Z стоимостью 61,7 миллиона долларов для расширения возможностей термоядерной машины» . Share.sandia.gov. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  30. ^ «Успешные выстрелы сигнализируют о повторном открытии гигантского ускорителя Z Сандии - 17 октября 2007 г.» . Sandia.gov. 17 октября 2007 г. Архивировано из оригинала 02 апреля 2010 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  31. ^ «О Z». Сандианские национальные лаборатории. Архивировано из оригинала 30 октября 2016 г. Проверено 30 октября 2016 г.
  32. ^ «Национальные лаборатории Сандии: Новости: Публикации: Новости лаборатории Сандии: 27 апреля 2007 г.» . Sandia.gov. 27 апреля 2007 г. Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  33. ^ «Z-Inertial Fusion Energy: Итоговый отчет электростанции за 2006 финансовый год» (PDF) . Сандианские национальные лаборатории . Проверено 22 ноября 2020 г.
  34. ^ «Архитектура ускорителей z-пинча петаваттного класса» (PDF) . Sandia.gov. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  35. ^ «Национальные лаборатории Сандии: Выпуски новостей: Моделирование ядерного синтеза демонстрирует высокий выход энергии» . Share.sandia.gov. 20 марта 2012 г. Архивировано из оригинала 14 июля 2015 г. Проверено 20 июня 2015 г.
  36. ^ W 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. Бибкод : 2014Natur.505....9G. дои : 10.1038/505009а . ПМИД  24380935.
  37. ^ "Энергия инерционного термоядерного синтеза Z-пинча" (PDF) . Fire.pppl.gov. Архивировано (PDF) из оригинала 3 марта 2016 г. Проверено 20 июня 2015 г.

Внешние ссылки