Z Pulsed Power Facility - Z Pulsed Power Facility

Koordinater : 35.035451 ° N 106.542522 ° W 35 ° 02′08 ″ N 106 ° 32′33 ″ V /  / 35.035451; -106.542522

Den Z Pulsed kraftverk en, vanligvis kjent som Z maskin eller Z klemme , er den største høyfrekvent elektromagnetisk bølgegenerator i verden og er utformet for å teste materialer under forhold med ekstrem temperatur og trykk. Siden oppussingen i oktober 1996 har den hovedsakelig blitt brukt som et forskningsanlegg for inertial inneslutningsfusjon (ICF). Operert av Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico , samler den inn data for å hjelpe til med datamodellering av atomvåpen og eventuelle atomfusjonsimpulser .

Opprinnelse

Se også: Fusjonskraft § Forskningshistorie

Z -maskinens opprinnelse kan spores til at energidepartementet trenger å gjenskape fusjonsreaksjonene til en termonukleær bombe i et laboratoriemiljø for bedre å forstå fysikken som er involvert.

Siden 1970 -tallet hadde DoE undersøkt måter å generere elektrisitet fra fusjonsreaksjoner , med kontinuerlige reaksjoner som tokamaks eller diskret fusjon av små kuler med lette atomer. Siden på den tiden lasere langt fra hadde den nødvendige kraften, var hovedmetoden som ble vurdert tung tunge fusjon (HIF). Men store fremskritt som Q-svitsjing og modus låsing laget lasere et alternativ (som kulminerte i National Ignition Facility ) og HTV-programmene ble mer eller mindre latent. I 1985 uttalte anmeldelsen av DoE's program av National Academies "Energikrisen er sovende foreløpig". HIF -maskiner fikk i oppgave å hjelpe militær forskning med å forbedre atombomber .

Den første forskningen ved Sandia stammer fra 1971 hvor Gerold Yonas startet og ledet partikkelstrålefusjonsprogrammet. Elektroner var de første partiklene som ble tenkt på, fordi de pulserende effektakseleratorene på den tiden allerede hadde konsentrert dem med høy effekt i små områder. Imidlertid ble det kort tid etterpå innsett at elektroner umulig kan varme opp fusjonsdrivstoffet raskt nok til formålet. Programmet gikk deretter bort fra elektroner til fordel for protoner. Disse viste seg å være for lette til å kontrollere godt nok til å konsentrere seg om et mål, og programmet gikk videre til lysioner, litium. Akseleratornavnene gjenspeiler endringen i vekt: først het gasspedalen navnet EBFA-I (elektronstrålefusjonsakselerator), kort tid etterpå PBFA-I, som ble Saturn. Protons krevde en annen akselerator, PBFA-II, som ble til Z.

I desember 1976 -utgaven av Popular Science og i 1976 konferanseprosedyrer som ble publisert i 1977, beskrev en artikkel med tittelen "Particle Beam Fusion Research" tidlig arbeid og første generasjons maskiner: Hydra (1972); Proto I (1975); Proto II (1977); EBFA/PBFA (elektronisk strålefusjonsakselerator/partikkelstrålefusjonsakselerator) (1980).

I 1985 ble PBFA-II opprettet. Sandia fortsatte å målrette tung ionefusjon i et sakte tempo til tross for rapporten fra National Academies.

November-utgaven av Scientific American bar Yonas 'første allmennhetlige artikkel, "Fusion power with particle beams".

I mellomtiden pågikk forsvarsrelatert forskning også på Sandia med Hermes III-maskinen og Saturn (1987), oppgradert fra PBFA-I, som opererte med lavere total effekt enn PBFA-II, men avanserte Sandias kunnskap om høyspenning og høy strøm og var derfor en nyttig forgjenger for Z -maskinen.

I 1996 publiserte den amerikanske hæren en rapport om avvikling av Aurora Pulsed Radiation Simulator. Denne rapporten er nyttig for å forstå båndene mellom kjernefysiske tester og treghetsforskning av fusjonsenergi.

Også i 1996 ble PBFA-II-maskinen igjen oppgradert til PBFA-Z eller ganske enkelt "Z-maskin", beskrevet for første gang for allmennheten i august 1998 i Scientific American.

Fysikk i Z -maskinen

Z-maskinen bruker det velkjente prinsippet om Z-klemme der rask utladning av kondensatorer gjennom et rør av plasma får den til å bli komprimert mot senterlinjen av de resulterende Lorentz-kreftene . Bennet undersøkte vellykket bruken av Z-klemmer på plasmakomprimering. Z -maskinoppsettet er sylindrisk. På utsiden huser den enorme kondensatorer som slippes ut gjennom Marx-generatorer som genererer en mikrosekund høyspentpuls. Yonas bruker deretter et system for å dele denne tiden med en faktor 10, ved hjelp av dielektrisk kraft fra vann, for å muliggjøre opprettelse av 100ns utslipp.

Imidlertid var denne innsatsen ikke vellykket for Heavy Ion Fusion, på grunn av mangel på tilstrekkelig fokusering av bjelkene, til tross for den høye effekten som ble brukt. Det hadde vært kjent lenge at Lorentz -kreftene var radielle, men strømmen var svært ustabil og rotert langs sylinderen, noe som forårsaker vridning av det imploderende røret og derfor reduserer kvaliteten på kompresjonen.

En russisk forsker, Valentin Smirnov , hadde da ideen om å erstatte røret (kalt "foring") med et trådarray, for å bekjempe den azimutale strømmen av strømmen, og derfor bekjempe ustabilitet ved Magnetohydrodynamics (MHD). Angara V-anlegget ved Kurchatov-instituttet hadde blitt bygget av samme grunn: for å hjelpe til med å simulere og designe den andre fasen av hydrogenbomber og teste effekten av høyeffektrøntgenstråler på kjernefysiske raketter. Plassen inne i trådmatrisen var fylt med polystyren, noe som bidrar til å homogenisere røntgenstrømmen.

Ethvert land som utvikler termonukleære våpen har sin egen Z -maskin, men de som ikke bruker vannledninger hadde lange stigende pulser (for eksempel 800ns i Sphinx, den franske maskinen på Gramat ). I Storbritannia lå Magpie -maskinen ved Imperial College under kontroll av Malcolm Haines.

Ved å fjerne polystyrenkjernen klarte Sandia å oppnå en tynn 1,5 mm plasmakabel der 10 millioner ampere strømmet med et trykk på 90 megabar.

Tidlig drift 1996–2006

De viktigste egenskapene til Sandias Z -maskin er dens 18 millioner ampere og en utladningstid på mindre enn 100 nanosekunder . Utvalget av wolframtråder kalles en "foring". I 1999 testet Sandia ideen om nestede ledningsarrayer; den andre serien, ut av fase med den første, kompenserer for Rayleigh-Taylor ustabilitet . I 2001 introduserte Sandia Z-Beamlet-laseren (fra overskuddsutstyr fra National Ignition Facility ) som et verktøy for å bedre se komprimeringspelleten. Dette bekreftet utformingen av pellets som er komprimert av Z -maskinen.

Sandia kunngjorde sammensmelting av små mengder deuterium i Z -maskinen 7. april 2003.

I tillegg til å bli brukt som røntgengenerator, drev Z-maskinen små plater med 34 kilometer i sekundet, raskere enn de 30 kilometerne i sekundet som Jorden beveger seg i sin bane rundt Solen , og fire ganger Jordens rømningshastighet (3 ganger den ved havnivå). Det skapte også en spesiell, hyperdens "varm is" kjent som is VII , ved raskt å komprimere vann til trykk på 70 000 til 120 000 atmosfærer (7 til 12 GPa ). Mekanisk sjokk fra påvirkende Z-maskinakselererte prosjektiler er i stand til å smelte diamanter.

En god oversikt over de forskjellige oppdragene til Z -maskinen finnes i Trivelpiece -komitérapporten fra 2002, som gjennomgikk den pulserende kraftaktiviteten på Sandia.

I løpet av denne perioden produserte kraften til røntgenhopp fra 10 til 300TW. For å målrette den neste milepælen for fusjonsbrudd, var en ny oppgradering nødvendig

To milliarder Kelvin

I begynnelsen av 2006 produserte Z -maskinen plasmaer med annonserte temperaturer på over 2 milliarder  Kelvin (2 × 10 9  K), 3,6 milliarder  ° F (2 milliarder  ° C ) eller 172 keV , og nådde til og med en topp på 3,7 × 10 9  K, 6,6 milliarder ° F (3,7 milliarder  ° C ) eller 319 keV. Det ble delvis oppnådd ved å erstatte wolframtrådene med tykkere ståltråder. Denne temperaturen, som muliggjør en 10% til 15% effektivitet i å konvertere elektrisk energi til myke røntgenstråler, var mye høyere enn forventet (3 til 4 ganger kinetisk energi for de innkommende ledningene på aksen). The Guinness Book of Records tidligere oppført som den høyeste menneske oppnådd temperatur (den relativistiske Heavy Ion Collider ved Brookhaven National Laboratory og Large Hadron Collider har siden produsert høyere temperaturer, men i saken på en kjernefysisk stedet for makroskopisk skala). Opprinnelsen til denne ekstra energien er fortsatt uforklarlig, men det har blitt teoretisert at småskala MHD- turbulens og viskøs demping ville konvertere magnetisk energi til termisk energi av ionene, som deretter ville overføre energien til elektronene gjennom kollisjoner.

Utsikter

Foreslått modell av en 1 petawatt LTD-basert z-pinch-akselerator.
104 m diameter, 70 megamperes, 24 megavolt.

Et ettermonteringsprogram på 60 millioner dollar (hevet til 90 millioner dollar) kalt ZR (Z Refurbished) ble kunngjort i 2004 for å øke kraften med 50%. Z -maskinen ble demontert i juli 2006 for denne oppgraderingen, inkludert installasjon av nydesignet maskinvare og komponenter og kraftigere Marx -generatorer . Den avioniserte vannseksjonen på maskinen er redusert til omtrent halvparten av den forrige størrelsen, mens oljeseksjonen er utvidet betydelig for å huse større mellomliggende lagringslinjer (i-butikker) og nye lasertårn, som pleide å sitte i vannseksjon. Oppussingen ble fullført i oktober 2007. Den nyere Z -maskinen kan nå skyte rundt 26 millioner ampere (i stedet for 18 millioner ampere tidligere) på 95 nanosekunder. Den utstrålte effekten er hevet til 350 terawatts og røntgenenergiproduksjonen til 2,7 megajoule . Imidlertid er den maksimale temperaturen den nye versjonen kan nå med den samme rekordholderen, rustfritt stål wire-array-foring som ble brukt i 2005, ennå ikke kjent.

De ultrahøye temperaturene som ble nådd i 2006 (2,66 til 3,7 milliarder kelvin) er mye høyere enn de som kreves for klassisk hydrogen- , deuterium- og tritiumfusjon som tidligere er vurdert. De kunne, i teorien om ikke i praksis, tillate sammensmeltning av lette hydrogenatomer med tyngre atomer som litium eller bor . Disse to mulige fusjonsreaksjonene produserer ikke nøytroner , og dermed ingen radioaktivitet eller atomavfall , så de åpner muligheten for menneskeskapt ren aneutronisk fusjon .

Sandias veikart inkluderer en annen Z -maskinversjon kalt ZN (Z Neutron) for å teste høyere avkastning i fusjonskraft og automatiseringssystemer. ZN er planlagt å gi mellom 20 og 30 MJ hydrogenfusjonskraft med et skudd i timen ved hjelp av en russisk lineær transformatordriver (LTD) som erstatter de nåværende Marx -generatorene. Etter 8 til 10 års drift, ville ZN bli et transmutasjonspilotanlegg som var i stand til å fusjonere hvert 100 sekund.

Det neste trinnet som er planlagt vil være Z-IFE (Z-inertial fusion energy) testanlegg, det første virkelige z-pinch-drevne prototypen fusjonskraftverk. Det antydes at det vil integrere Sandias nyeste design ved bruk av LTD. Sandia Labs foreslo nylig et konseptuelt 1 petawatt (10 15 watt) LTD Z-pinch kraftverk, der den elektriske utladningen ville nå 70 millioner ampere. Fra 2012 viser fusjonsskuddsimuleringer på 60 til 70 millioner ampere en 100 til 1000 ganger avkastning på inngangsenergi. Tester på Z-maskinens nåværende designmaksimum på 26-27 millioner ampere skulle begynne i 2013.

Z-Pinch Inertial Fusion Energy-program

Ytterligere informasjon: Treghetsfusjonskraftverk

De Sandia Laboratories Z-IFE prosjektmålene for å løse de praktiske vanskeligheter med å utnytte fusjonskraft. Store problemer inkluderer å produsere energi i et enkelt Z-klype-skudd, og å laste reaktoren raskt etter hvert skudd. Etter deres tidlige estimater kan en implosjon av en drivstoffkapsel hvert 10. sekund økonomisk produsere 300 MW fusjonsenergi.

Se også

Referanser

Eksterne linker