Z-Машина: взрыв вовнутрь

Z-машина (Z Machine) за работой. Молнии – побочный эффект, возникающий в момент прохождения колоссального электромагнитного импульса (фото Sandia National Laboratories).

Z-Машина — экспериментальная установка и один из крупнейших в мире источников рентгеновского излучения. Предназначена для исследования вещества в условиях экстремальных температур и давлений. Установка принадлежит исследовательской лаборатории Sandia National Laboratories и располагается в городе Альбукерке, штат Нью-Мексико, США. Также её данные используются в мирных и военных атомных программах.

Название Z-Машина обусловлено во первых вертикальным направлением излучения (ось Z), а во вторых вертикальным приводом. Другое название для установки Z-pinch.

Физики из национальной лаборатории Сандия выяснили, что определённая разновидность системы для управляемого синтеза может обеспечить тысячекратное превышение энергетического выхода над затратами электричества, необходимого для розжига ядерной реакции.

Кликабельно

Z-Машина представляет собой цилиндр диаметром 32 м и высотой 6 метров, в окружении 36 радиальных электрических проводников свыше 1 м в диаметре. В центре сосуда, который для изоляции заполнен деионизированной водой, расположена вакуумная камера, диаметром 3 метра. В камере находится так называемый Z-Pinch — специальное приспособление из 300 вольфрамовых параллельных проволок в направлении оси Z высотой 20 см. Толщина вольфрамовой проволоки 10 мкм — около 1/10 толщины человеческого волоса. В центре цилиндра из проволок располагается пластиковая ёмкость, наполненная смесью Дейтерия и трития. Чтобы стал возможен термоядерный синтез смесь должна быть быстро сжата и нагрета. Это можно обеспечить давлением электромагнитного излучения с помощью рентгеновской установки.

Для создания необходимого излучения, в течение очень короткого периода менее 100 наносекунд электрический ток силой тока 20 миллионов ампер направляется одновременно через все 36 радиальных проводников. Тонкие провода вольфрама в центре испаряются, превращаясь в очень горячий, ионизированный газ — плазму. Электрический импульс создаёт сильное магнитное поле в электропроводящей плазме при этом происходит сжимание и нагревание — так называемый Пинч-Эффект. При этом материал стенок окружающих цилиндр нагревается до температуры до нескольких миллиардов градусов Кельвина. Это ведёт к тому, что этот цилиндр в течение одного момента излучает интенсивный рентгеновский импульс с пиковой мощностью 290 ТВт. Когда этот импульс достигает капсулы с дейтерием и тритием, она по давлением излучения сжимается до доли от их первоначального размера, и нагревается. В течение нескольких наносекунд достигается мощность в 80 раз превышающая потребление энергии на всей земле.

Для сравнения, температура внутренних областей Солнца составляет примерно 15 млн градусов, а температура, которой удавалось достичь при экспериментах по термоядерному синтезу, не превышала 500 млн градусов. Удивительным является и то, что в ходе эксперимента выделилось больше энергии, чем было к нему подведено. Это позволяет предположить, что здесь начали действовать ранее неизвестные процессы генерации энергии. Но все это ждет своего окончательного объяснения.

Один из вариантов объяснения физической сути явления предложил доктор Малкольм Хайнес (Malcolm Haines) — консультант Sandia. Обычно после торможения ионов происходит коллапс плазмы, а высвободившаяся энергия рассеивается в окружающем пространстве. Но в ходе проведения эксперимента на Z-ускорителе энергия неизвестной природы внутри плазмы в течение еще 10 нс оказывала сопротивление магнитному полю. По мнению д-ра Хайнеса, в этом случае магнитное поле создает микровихри в плазме, увеличивая кинетическую энергию ионов. Ионы и сопровождающие их электроны выделяют энергию в результате «вязкого» трения уже после остановки плазмы, что приводит к дальнейшему увеличению температуры.

Z-машина, предназначенная для создания высоких температур и давлений, уже продемонстрировала ряд рекордных показателей. При этом перспективным представлялся метод магнитного удержания плазмы.

Ситуация может коренным образом поменяться благодаря совместной разработке российских ученых из Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН в Томске и ученых из лабораторий Sandia.

Александр Ким, используя концепцию академика РАН Б. М. Ковальчука по формированию электрических импульсов тераваттной мощности с помощью плазменных размыкателей тока, разработал новую систему — разрядник для линейных трансформаторов, c помощью которого удалось повысить на 50% эффективность использования энергии электрического разряда. До сих пор показатель эффективности достигал лишь 15%.

Новая система выдает импульсы каждые 10,2 с, и в испытаниях, проведенных в Sandia, было сформировано 11000 импульсов. Система обеспечивает разрядный ток около 1 млн. ампер при напряжении около 100 кВ (действующая в Sandia установка дает ток 0,5 млн. ампер при том же напряжении). Улучшение показателей было достигнуто благодаря снижению индуктивности системы.

Ученые из лабораторий Sandia считают, что новая разработка — самое крупное научное достижение в области импульсной электроники за последние десятилетия. Теоретически можно создать на основе новых импульсных генераторов систему, которая будет обеспечивать разрядный ток 60 млн. ампер. Этого достаточно для начала управляемой термоядерной реакции.

Однако с полной уверенностью о реальном осуществлении такой реакции можно говорить лишь после создания действующей установки.

Исследованный, пока только в теории, метод получения энергии называется «намагниченный инерциальный синтез» (magnetized inertial fusion — MIF). Вкратце он работает так.

Сначала готовят небольшую топливную капсулу цилиндрической формы. С внутренней стороны этой оболочки размещают замороженные дейтерий и тритий, а в центре – те же изотопы, но газообразные.

Капсулу помещают в сердцевину машины. Там, чуть ниже и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске аппарата сначала сравнительно маломощный лазер подогревает топливный заряд. Далее через катушки пропускается ток, который создаёт вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда.

В следующее мгновение уже сама оболочка генерирует очень сильный импульс магнитного поля за счёт прохождения через неё чрезвычайно большого тока (в десятки мегаампер).

Это второе поле и породивший его ток производят сразу два важных эффекта. Они заставляют оболочку капсулы сжаться в несколько раз. И они же сжимают и концентрируют силовые линии от первого поля.

MagLIF — прототип системы, окружающей «ядерную» мишень. Хорошо видны верхняя и нижняя магнитные катушки (фото Derek Lamppa/ Sandia National Laboratories).
Суммарный эффект приводит к тому, что оболочка превращается в плазму, а в газообразной смеси трития и дейтерия запускается реакция синтеза. При этом развивается столь высокая температура, что синтез уже начинает идти и в ранее замороженном ядерном горючем.

Сжатое магнитное поле играет роль занавеса, хотя бы на мгновения, но удерживающего быстрые альфа-частицы и электроны от разлёта и уноса энергии из зоны реакции. Это повышает время существования плазмы настолько, что всё топливо успевает нормально отработать. А ведь описанные выше процессы крайне быстротечны. Все они должны проходить за десятки-сотни наносекунд.

Здесь очень важной оказалась величина импульса тока, подаваемого на оболочку цели. Компьютерная симуляция выявила, что при 60 мегаамперах в ходе термоядерной реакции освободится в 100 раз больше энергии, чем было затрачено на запуск установки.

А при 70 мегаамперах отдача будет уже в 1000 раз больше затрат. Это позволяет надеяться на создание работоспособной системы, даже с учётом всяческих потерь при преобразовании энергии.

Для создания импульса тока авторы метода предлагают использовать Z-машину, установленную в основном комплексе лаборатории Сандия в Альбукерке (на снимке под заголовком). Эта установка применяется в целом ряде экспериментов по воздействию высоких температур, полей и давлений на различные материалы.

Кликабельно 4000 рх

В частности, это та самая машина, которая обеспечила рекордное ускорение твёрдого тела в 10 миллиардов g и превращала алмазы в жидкость.

Z-машина и её основные части: генераторы Маркса (красный цвет на схеме), они медленно заряжаются от обычной сети, а потом выдают импульс огромного тока и высокого напряжения, длящийся тысячные доли секунды; проводники тока (синий, голубой, серый); мишень в вакуумной камере (стрелка в центре). Для электрической изоляции отдельные высоковольтные секции машины заполнены тоннами трансформаторного масла и деионизированной воды (иллюстрации Sandia National Laboratories).

В программе работ на Z-машине числятся и эксперименты, имеющие отношение к проблеме управляемого термоядерного синтеза. Только изучаемый до сих пор метод был немного иной.

Дело в том, что быстрое испарение специальной (сделанной из тонких струн) оболочки под действием колоссального тока рождает не только плазму, но и огромный рентгеновский импульс (до 290-350 тераватт в пике).

А такой импульс может создать в твёрдой мишени огромные ударные волны, и тем самым вызвать её мгновенное сжатие и разогрев.

Такая решётка из тонких (10 мкм) проводков служит в опытах на Z-машине источником рекордного импульса рентгена. Именно она испаряется первой при прохождении мегаамперного тока. В центре виден целевой контейнер с изучаемым образцом материала, которым может быть и дейтерий-тритиевая смесь, и что-либо ещё (фото Randy Montoya/ Sandia National Laboratories).

Собственно в некоторых опытах на Z-машине учёным уже удавалось получать температуру в 3,7 миллиарда кельвинов. По идее, этого должно быть вполне достаточно для старта термоядерного синтеза, но, к сожалению, время действия этой температуры было очень коротким.

Исследователь из Национальной лаборатории «Сандия» Маркус Кнудсон на фоне Z-машины; он держит в руке (крупным планом справа внизу) выстреливаемый «снаряд» (flyer plate). Фото с сайта www.physorg.com

Кусочек алюминиевой фольги размером 30 х 15 мм и толщиной 0,85 мм разогнали до такой бешеной скорости меньше чем за одну секунду. Для этого потребовалась Z-машина (Z Machine), установленная в Национальной лаборатории «Сандия» (США).

Этот рекорд скорости — 34 км в секунду — на четыре километра выше скорости, с которой летит Земля по своей орбите вокруг Солнца (ее скорость 30 км/с). В 50 раз быстрее винтовочной пули. Ускорение при старте достигло чудовищных 1010g. Зачем это нужно? Ну, например, чтобы понять, что происходит в глубинах Сатурна, Юпитера и других газовых гигантов, чтобы ускорить разработку технологий управляемого термоядерного синтеза или, наконец, чтобы создать инструмент проверки состояния лежащего на складах ядерного оружия не устраивая реальных ядерных взрывов.

Пластинка, выстреливаемая Z-машиной, попадает в цель, пролетев всего 5 мм. Возникающая при этом ударная волна создает давление в 15 миллионов атмосфер, благодаря чему твердые тела превращаются в жидкость.

Если в перекрестии прицела Z-машины оказывается, например, капсула с дейтерием, ученые получают дополнительный набор сведений, необходимых для постройки установки управляемого термоядерного синтеза. Поместив в приемник капсулу с водородом, можно представить себе, как ведет себя это вещество и его изотопы в недрах Юпитера или Сатурна, где давление может достигать от одного до пятидесяти миллионов атмосфер. До последнего времени астрономам приходилось выводить эти данные «на кончике карандаша». Сейчас в их распоряжении появились реальные данные, которые удалось получить, не отправляя к газовым гигантам дорогостоящих космических экспедиций.

Схема экспериментальной конфигурации для разгона «снаряда» (flyer plate) в Z-машине (высота катода 5 см); справа — схема «снаряда» и мишеней (высота панели 3,75 см). Изображение с сайта www.sandia.gov

Главная проблема, стоящая перед экспериментаторами, заключается в том, чтобы за короткий отрезок времени разогнать хрупкий кусочек фольги с десятикратными перегрузками, не испарив его при этом. Решается эта проблема, как пишет PhysOrg, за счет точного контроля электромагнитного пучка, с помощью которого и происходит разгон «снаряда». Вместо того чтобы послать фольгу в цель одним мощным ударом (после чего от кусочка не останется и следа), по нему бьют короткими, но с каждым разом все более мощными «очередями», паузы между которыми составляют всего 300 наносекунд.

«Центр» высоких энергий Z-машины

Это стало возможным после недавней модернизации Z-машины. Если в старой версии агрегата генератор магнитного поля приводился в действие единственным лазером, одновременно «включавшим» ток в 36 кабелях, то теперь его место заняли 36 выделенных лазерных переключателей. Ожидается, что после следующей модернизации, которая состоится в будущем году, Z-машина станет еще в 1,5-1,7 раза быстрее и скорость полета кусочка фольги будет достигать 45-50 километров в секунду. Предыдущий рекорд скорости, поставленный два года назад, составлял «всего» 21 километр в секунду.

Достигнута температура +2 000 000 000 градусов!

Почему эта плазма такая горячая? Физики пока не могут дать определенного ответа. Однако уже точно известно, что «Z-машина», создала неожиданно горячую плазму. Температура плазмы превысила два миллиарда Кельвинов, и она стала самым горячим веществом, когда-либо существовавшим на Земле за всю ее историю. На короткое время она была даже горячее, чем внутренние части звезд. В ходе эксперимента на «Z-машине», которая изображена на фотографии выше, высокая температура создается при пропускании электрического тока силой 20 миллионов ампер через маленькую область, которая затем сжимается магнитным полем.

Как уже отмечалось, во время неожиданно сильного управляемого взрыва за несколько долей секунды мощность выделения энергии в «Z-машине» более чем в 80 раз превысила мощность электроэнергии, потребляемой во всем мире. Эксперименты на «Z-машине» помогают объяснить физику солнечных вспышек, разработать проекты более эффективных термоядерных электростанций, определить последствия воздействия экстремальных температур на вещество и собирать данные для компьютерного моделирования ядерных взрывов.

Введение дополнительных катушек с полем, которое сожмётся в момент запуска машины и не позволит плазме слишком быстро остыть, это именно то, чего не хватало прежней схеме.

По оценке физиков, MIF должен быть в 50 раз эффективнее, чем инерциальный термоядерный синтез, опирающийся на рентгеновский импульс. (Детали этой работы можно найти в статье в Physical Review Letters.)

Один из авторов исследования Стив Слуц (Steve Slutz) говорит: «Люди не думали, что намагниченный инерциальный синтез способен дать реакцию с высокой отдачей. Но численные расчёты показывают, что так оно и есть. Сейчас мы должны посмотреть, позволит ли нам природа осуществить это. В принципе, мы не знаем, почему это не сработало бы».

Тут остаются ещё вопросы. Очень многое будет зависеть от равномерности сжатия материала мишени. Любые нестабильности в созданной плазме могут погубить эффект.

Для прояснения подобных тонкостей нужен натурный опыт. И его американцы уже готовят. Недавно они провели предварительные испытания тех самых магнитных катушек. С настоящего момента и до начала зимы различные узлы для будущей установки будут проходить тестирование. А какой-то практический результат исследователи ожидают получить к концу 2013 года.

Правда, ни о тысяче-, ни о стократном превышении термоядерного выхода над затратами речи не идёт. Ведь нынешняя Z-машина способна выдавать импульс тока «всего» в 26 мегаампер. Но и при таком уровне можно надеяться хотя бы на паритет (равенство «входа» и «выхода») или даже на небольшое превышение отдачи над затратами.

А позже можно попробовать нарастить параметры Z-машины или построить более крупный её вариант. В частности, специалисты лаборатории прорабатывают концепцию электростанции на инерциальном термоядерном синтезе, построенную вокруг «откормленной» Z-машины, раза в три большей по размеру, чем нынешняя.

Такая установка должна оперировать ультракороткими импульсами тока в 70 мегаампер при напряжении до 24 мегавольт. Взрывая с их помощью по одной капсуле каждые 10 секунд, она генерировала бы непрерывную мощность в 300 мегаватт.

Электростанция на базе увеличенной Z-машины. Синим цветом показаны генераторы импульса высокого напряжения типа LTD (вместо генераторов Маркса на текущей версии), коричневым – радиальные линии, передающие этот импульс в центр, где набор проводников (стрелка) подводит мегаамперный ток к дейтерий-тритиевой мишени. Диаметр этой установки должен составить 104 метра (иллюстрация Sandia National Laboratories).

И ещё интересный момент. Температура в 3,7 миллиарда кельвинов теоретически позволяет запускать и более экзотические процессы, в частности слияния ядер водорода с литием или бором. Это безнейтронные реакции (aneutronic fusion), не дающие радиации, наведённой радиоактивности и ядерных отходов.

Если проверка принципа MIF на нынешней Z-машине пройдёт хорошо, можно будет говорить о рождении перспективной технологии, способной поставлять человечеству огромное количество чистой энергии.

Лед VII - одна из модификаций конденсированных фаз воды, образующаяся и сохраняющая устойчивость при высоком давлении. В этой модификации достигается одна из самый высоких плотностей упаковки: в структуре две правильные сетки, выстроенные из тетраэдров, вставленные одна в другую, при этом сохраняется система прямолинейных водородных связей.

Обычный лед (лед I) увеличивает объем на 9%, лед VII, напротив, сокращается в объеме. Лед VII впервые был получен в 30-х годах Перси Бриджменом (Percy Bridgman), одним из пионеров физики высоких давлений.

В 2007 году ученые из лабораторий Sandia использовали Z-машину для изучения превращений воды в экстремальных условиях. Z-машина предназначена для создания высоких температур и давлений, возникающих про протекании тока в 20 млн. ампер через область объемом в несколько кубических сантиметров.

Образующаяся в этом объеме плазма в магнитном поле сжимается в область меньше миллиметра в поперечнике и при практически мгновенном торможении ионов и электронов происходит взрывное выделение энергии (в виде рентгеновского излучения), приводящее к повышению температуры до нескольких миллионов градусов.Ученые из лабораторий Sandia использовали Z-машину для изучения превращений воды в экстремальных условиях.

Кликабельно

В эксперименте Z-машина создавала над тонкими (всего в 25 мкм) пленками воды давление 50-120 тыс. атмосфер в течение 100 наносекунд. Этого времени оказалось достаточно, чтобы прозрачная вода высшей степени очистки превратилась в непрозрачное вещество, в котором кристаллы льда присутствуют вместе с водой.

Ученые провели эксперименты при разных давлениях в указанном диапазоне и установили, что при 70 тыс. атмосфер и больше всегда образовывались прозрачные твердые пластинки льда.

Полученные данные, удивительные сами по себе, могут быть использованы для объяснения различных астрофизических явлений и теорий формирования планет. В частности, представление астрономов о состоянии воды на Нептуне может быть пересмотрено в ближайшее время.

В 2003 году учёным удалось с помощью импульса мощность 120 ТВт сжать капсулу на одну шестую часть своего первоначального размера. В этих условиях стало возможным образование из ядер дейтерия и трития ядра гелия. Ученые оценивают высвободившуюся энергию в 4 мДж.

В 2006 году стало известно, что с помощью установки может быть получена плазма с температурой свыше 2 миллиардов Кельвинов.

Из-за очень высокого напряжения оборудование подачи питания погружено в камеры, заполненные трансформаторным маслом и деионизированной водой, которые работают изоляторами. Тем не менее, электромагнитный импульс создаёт свечение вокруг металлических предметов.

А вот новости 2013 года :

Правительство США сообщает, что оно проводит проверку арсенала ядерного оружия страны при помощи моделирования на экспериментальной установке под названием Z-Машина.

Используя Z-Машину, специалисты воспроизводят условия, близкие к ядерному взрыву, без проведения настоящего подземного взрыва ядерного устройства.

Национальное Управление по ядерной безопасности США сообщает, что испытания проводились в Национальной лаборатории Сандия в штате Нью-Мексико в период с октября по декабрь прошлого года.

Применение Z-Машины в ходе этих испытаний предоставило возможность в двух случаях проверить реакцию плутония внутри ядерного оружия, став седьмым и восьмым по счету моделированием с использованием плутония, начиная с ноября 2010 года. Моделирование с использованием Z-Машины похоже на субкритическое ядерное испытание при отсутствии ядерного взрыва, однако в процессе такого моделирования требуется меньший объем плутония.

источники
http://www.membrana.ru/particle/17758
http://gizmod.ru/2007/03/19/na_z-mashine_poluchen_raskalennyj_led/
http://log-in.ru/articles/chudo-z-mashina/

http://www.marsiada.ru/357/464/725/1776

http://www.cybersecurity.ru/it/171475.html

Напомню вам еще некоторые интересные энергетические установки: Термоядерный реактор ITER и Большой адронный коллайдер БАК

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия - http://infoglaz.ru/?p=26435

#энергия