Әлемдегі ең ірі импульстік қуат қондырғысы

Кіріспе

Z импульстік қуат қондырғысы (немесе Z-машинасы, Z) – әлемдегі ең үлкен жоғары жиілікті электромагниттік толқын генераторы болып табылады және ол материалдарды экстремалды температура мен қысым жағдайында сынау үшін жасалған. Ол бастапқыда PBFA II деп аталған және 1985 жылы құрылған. 1996 жылғы қазан айында жаңартылғаннан бері ол негізінен инерциялық шектеу термоядролық синтезі (ICF) зерттеу орталығы ретінде қолданылады. Нью-Мексико штатының Альбукерке қаласындағы Сандия ұлттық зертханасы басқаруында, ядролық қаруды компьютерлік модельдеу және болашақта импульстік термоядролық электр станцияларын құруға көмектесетін деректер жиналады.

Z машинасының физикасы

Z машинасы белгілі Z қысылу принципін қолданады, онда конденсаторлардың плазма түтігі арқылы жылдам разрядталуы нәтижесінде пайда болатын Лоренц күштері плазманы орталық сызығына қарай қысады. Беннет плазманы қысуда Z қысылудың қолданылуын сәтті зерттеді. Z машинасының құрылымы цилиндр тәрізді. Сырт жағында Маркс генераторлары арқылы бір микросекундтық жоғары кернеу импульсін тудыратын үлкен конденсаторлар орналасқан. Юнас содан кейін судың диэлектрлік қасиетін пайдаланып, осы уақытты 10 есеге бөлетін жүйені қолданады, бұл 100 нс разрядтар жасауға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл күш-жігер ауыр иондық синтез үшін жеткіліксіз болды, себебі жоғары қуатқа қарамастан, сәулелердің жеткілікті түрде фокусталуына қол жеткізілмеді. Лоренц күштерінің радиалды екені бұрыннан мәлім болғанмен, ток ағыны өте тұрақсыз болды және цилиндр бойымен айналып, қысылатын түтіктің бұрылуына, демек, қысу сапасының төмендеуіне себеп болды. Орыс ғалымы Валентин Смирнов магнетогидродинамикалық (МГД) тұрақсыздыққа қарсы күресу үшін түтікті ("лайнер" деп аталатын) сымдар массивімен алмастыру идеясын ұсынды. Курчатов институтының "Ангара V" құрылғысы да осы мақсатта салынған: сутекті бомбалардың екінші сатысын модельдеу және жобалау, сондай-ақ ядролық зымырандардың жарылғыш бөліктеріне жоғары қуатты рентген сәулелерінің әсерін сынау. Сымдар массивінің ішкі кеңістігі рентген сәулелерінің ағынын біркелкілендіруге көмектесетін полистиролмен толтырылған. Термоядролық қаруды дамытатын әрбір елде өз Z машинасы бар, бірақ су жүйелерін пайдаланбайтындарда импульстардың өсу уақыты ұзақ болды (мысалы, Францияның Грамт қаласындағы "Сфинкс" машинасы 800 нс). Ұлыбританияда "Магпи" машинасы Малкольм Хейнс басқаруымен Империялық колледжде орналасқан. Полистирол ядросын алып тастау арқылы Сандия 1,5 мм жуан плазмалық шнур алуға қол жеткізді, онда 90 мегабар қысыммен 10 миллион ампер ағын бағытталды.

Алғашқы жұмыс 1996-2006

Сандияның Z машинасының негізгі сипаттамалары – 18 миллион ампер және 100 наносекундтан кем уақытқа созылатын разряд. Вольфрам сымдарының массиві "линер" деп аталады. 1999 жылы Сандия ішкі сым массивтері идеясын сынап көрді; бірінші массивпен фазадан тыс екінші массив, Рейли-Тейлор тұрақсыздықтарын теңестіреді. 2001 жылы Сандия Z Beamlet лазерін (Ұлттық тұтандыру қондырғысының артық жабдықтарынан) қысылатын грануланы жақсырақ бейнелеу үшін пайдаланды. Бұл Z машинасымен қысылған гранулалардың формасының біркелкілігін растады. Сандия 2003 жылдың 7 сәуірінде Z машинасының ішінде аз мөлшерде дейтерийдің қосылуын хабарлады. Рентген сәулелерін шығарудан басқа, Z машинасы кішкентай пластиналарды секундына 34 километр жылдамдықпен ұшырды, бұл Жердің Күнді айналып жүру орбитасындағы секундына 30 километр жылдамдықтан және Жердің екінші космостық жылдамдығынан (теңіз деңгейінде 3 есе) төрт есе жоғары. Сондай-ақ, суды 70 000-ден 120 000 атмосфераға дейін (7-ден 12 ГПа-ға дейін) жылдам қысу арқылы ерекше, гиперденсе "жылы мұз" – мұз VII пайда болды. Z машинасының үдетілген снарядтарының соққысы алмасты балқыта алады. Z машинасының әртүрлі миссиялары туралы толық мәліметтерді 2002 жылғы Тривелпис комитетінің баяндамасында табуға болады, онда Сандиядағы импульсті қуат қызметі қарастырылған. Осы кезеңде шығарылған рентген сәулелерінің қуаты 10 ТВт-тан 300 ТВт-қа дейін өсті. Келесі мақсат – термоядролық синтездің өзін-өзі ұстап тұруына жету үшін, тағы бір жаңарту қажет болды.

Болашақ

2004 жылы оның қуатын 50%-ға арттыру үшін ZR (Z Refurbished) деп аталатын 60 миллион долларлық (90 миллионға дейін көтерілген) жаңарту бағдарламасы жарияланды. Z машинасы 2006 жылдың шілдесінде осы жаңарту үшін демонтаждалды, оның ішінде жаңадан жасалған жабдықтар мен компоненттерді және қуатты Маркс генераторларын орнату жүргізілді. Машинаның деионизацияланған су бөлімі бұрынғы көлемінің шамамен жартысына дейін азайтылды, ал май бөлімі үлкен аралық сақтау желілерін (i қоймаларын) және жаңа лазерлік мұнараларды орналастыру үшін едәуір кеңейтілді, бұл мұнаралар бұрын су бөлімінде орналасқан болатын. Жаңарту жұмыстары 2007 жылдың қазан айында аяқталды. Жаңа Z машинасы енді 95 наносекунд ішінде 26 миллион ампер (бұрынғы 18 миллион ампердің орнына) тудыра алады. Радиациялық қуат 350 тераваттқа, ал рентген сәулесінің энергиясы 2,7 мегаджоульге дейін артты. Дегенмен, 2005 жылы қолданылған рекордтық тот баспайтын болаттан жасалған сымдық қаптамамен жаңа нұсқаның қыздыруға жете алатын максималды температурасы әлі белгісіз. 2006 жылы қол жеткізілген өте жоғары температуралар (2,66-3,7 миллиард Кельвин) бұрын қарастырылған классикалық сутегі, дейтерий және тритийдің термоядролық синтезі үшін қажетті температуралардан әлдеқайда жоғары. Бұл, теориялық тұрғыдан алғанда, бірақ іс жүзінде емес, жеңіл сутек атомдарын литий немесе бор сияқты ауыр атомдармен біріктіруге мүмкіндік береді. Бұл екі мүмкін термоядролық реакция нейтрондарды, демек радиоактивтілікті және ядролық қалдықтарды тудырмайды, сондықтан адам жасаған таза анейтрондық термоядролық синтез мүмкіндігін ашады. Sandia Labs-тың жол картасына термоядролық қуатты және автоматтандыру жүйелерін сынау үшін ZN (Z Neutron) деп аталатын Z машинасының тағы бір нұсқасы кіреді. ZN қазіргі Маркс генераторларын алмастыратын ресейлік сызықтық трансформатор драйверін (LTD) пайдалана отырып, сағатына бір рет 20-ден 30 МДж-ға дейін сутек термоядролық қуатын беруді жоспарлап отыр. 8-ден 10 жылға дейін жұмыс істегеннен кейін ZN әр 100 секунд сайын термоядролық импульс шығаратын трансмутация пилоттық қондырғысына айналады. Келесі жоспарланған қадам – Z IFE (Z инерциялық синтез энергиясы) сынақ алаңы, z пинчпен басқарылатын термоядролық электр станциясының алғашқы прототипі. Ол Sandia Labs-тың соңғы әзірлемелерін LTD-ді пайдалану арқылы біріктіруге тиіс. Sandia Labs жақында 1 петаваттық (1015 ватт) LTD Z пинч электр стансасын ұсынды, онда электр разряды 70 миллион амперге жетеді. 2012 жылғы мәліметтер бойынша, 60-70 миллион ампердегі термоядролық импульстік симуляциялар кіріс энергиясының 100-1000 есеге артуын көрсетті. Z машинасының қазіргі ең жоғары 26-27 миллион амперлік конструкциясындағы сынақтар 2013 жылы басталуы жоспарланған.

A $60 million (raised to $90 million) retrofit program called ZR (Z Refurbished) was announced in 2004 to increase its power by 50%. The Z machine was dismantled in July 2006 for this upgrade, including the installation of newly designed hardware and components and more powerful Marx generators. The de ionized water section of the machine has been reduced to about half the previous size while the oil section has been expanded significantly in order to house larger intermediate storage lines (i stores) and new laser towers, which used to sit in the water section. The refurbishment was completed in October 2007. The newer Z machine can now shoot around 26 million amperes (instead of 18 million amperes previously) in 95 nanoseconds. The radiated power has been raised to 350 terawatts and the X ray energy output to 2.7 megajoules. However the maximum temperature the new version may reach with the same record holder stainless steel wire array liner used in 2005 is not yet known. The ultra high temperatures reached in 2006 (2.66 to 3.7 billion kelvins) are much higher than those required for the classical hydrogen, deuterium and tritium fusion previously considered. They could allow, in theory if not in practice, the fusion of light hydrogen atoms with heavier atoms such as lithium or boron. These two possible fusion reactions do not produce neutrons, and thus no radioactivity or nuclear waste, so they open the possibility of human made clean aneutronic fusion. Sandia's roadmap includes another Z machine version called ZN (Z Neutron) to test higher yields in fusion power and automation systems. ZN is planned to give between 20 and 30 MJ of hydrogen fusion power with a shot per hour using a Russian Linear Transformer Driver (LTD) replacing the current Marx generators. After 8 to 10 years of operation, ZN would become a transmutation pilot plant capable of a fusion shot every 100 seconds. The next step planned would be the Z IFE (Z inertial fusion energy) test facility, the first true z pinch driven prototype fusion power plant. It is suggested it would integrate Sandia's latest designs using LTDs. Sandia Labs recently proposed a conceptual 1 petawatt (1015 watts) LTD Z pinch power plant, where the electric discharge would reach 70 million amperes. As of 2012, fusion shot simulations at 60 to 70 million amperes are showing a 100 to 1000 fold return on input energy. Tests at the Z machine's current design maximum of 26 27 million amperes were set to begin in 2013.

Z-Pinch инерциялық термоядролық энергия бағдарламасы

Sandia Laboratories Z IFE жобасы синтез қуатын қолданудағы практикалық қиындықтарды шешуді мақсат етеді. Басты мәселелер – бір Z-қысылымымен (Z-pinch) импульсі арқылы энергия өндіру және әр импульстан кейін реакторды жылдам қайта зарядтау. Олардың алғашқы есептеулеріне қарағанда, отын капсуласын әр 10 секунд сайын жару экономикалық тұрғыдан 300 МВт синтез энергиясын өндіруге мүмкіндік береді.