Введение

Крупнейший в мире импульсный энергокомплекс

Z-импульсный энергокомплекс, неофициально известный как машина Z или Z, является крупнейшим в мире генератором высокочастотных электромагнитных волн и предназначен для испытания материалов в условиях экстремальных температуры и давления. Изначально он назывался PBFA II и был создан в 1985 году. После модернизации в октябре 1996 года он в основном используется как исследовательский объект в области инерциального термоядерного синтеза (ИТС). Управляемый Национальными лабораториями Сандии в Альбукерке, штат Нью-Мексико, он собирает данные для поддержки компьютерного моделирования ядерного оружия и разработки импульсных электростанций термоядерного синтеза.

Физика машины Z

Z-машина использует хорошо известный принцип Z-щипки, при котором быстрый разряд конденсаторов через трубку плазмы приводит к её сжатию к центральной оси под действием сил Лоренца. Беннет успешно исследовал применение Z-щипки для сжатия плазмы. Конструкция Z-машины цилиндрическая. Снаружи расположены огромные конденсаторы, разряжающиеся через генераторы Маркса, которые создают одномикросекундный импульс высокого напряжения. Йонас затем использовал систему для деления этого времени на коэффициент 10, используя диэлектрические свойства воды, чтобы обеспечить создание 100-наносекундных разрядов. Однако эта попытка оказалась безуспешной для термоядерного синтеза на тяжелых ионах из-за недостаточной фокусировки пучков, несмотря на высокую используемую мощность. Давно было известно, что силы Лоренца направлены радиально, но поток тока был крайне нестабильным и вращался вдоль цилиндра, что вызывало скручивание имплодирующей трубки и, следовательно, снижало качество сжатия. Тогда русский ученый Валентин Смирнов предложил заменить трубку (называемую "лайнером") на проволочную решетку, чтобы бороться с азимутальным потоком тока и, таким образом, с нестабильностью магнитогидродинамики (МГД). Комплекс "Ангара V" Института Курчатова был построен по той же причине: для моделирования и проектирования второй ступени водородных бомб и испытания воздействия мощного рентгеновского излучения на боеголовки ядерных ракет. Пространство внутри проволочной решетки заполнялось полистиролом, который помогает гомогенизировать поток рентгеновских лучей. Любая страна, разрабатывающая термоядерное оружие, имеет свою Z-машину, но те, которые не используют водяное охлаждение, имеют длительные нарастающие импульсы (например, 800 нс у "Сфинкса", французской установки в Граммате). В Великобритании установка Magpie находилась в Имперском колледже под руководством Малкольма Хейнса. Удаление полистирольного сердечника позволило лаборатории Sandia получить тонкий 1,5-миллиметровый плазменный шнур, в котором протекал ток в 10 миллионов ампер при давлении 90 мегабар.

Ранняя работа 19962006

Ключевые характеристики Z-машины Сандии – это сила тока в 18 миллионов ампер и время разряда менее 100 наносекунд. Массив вольфрамовых проволок называется "лайнером". В 1999 году в Сандии была протестирована идея использования вложенных проволочных массивов; второй массив, сдвинутый по фазе относительно первого, компенсирует неустойчивости Рэлея-Тейлора. В 2001 году Сандия внедрила лазер Z Beamlet (из избыточного оборудования Национальной установки зажигания) в качестве инструмента для более качественной визуализации сжимаемого мишени. Это подтвердило однородность формы мишеней, сжатых Z-машиной. 7 апреля 2003 года Сандия объявила о синтезе небольшого количества дейтерия в Z-машине. Помимо использования в качестве рентгеновского генератора, Z-машина разгоняла небольшие пластины до скорости 34 километров в секунду, что быстрее, чем скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца (30 километров в секунду), и в четыре раза превышает вторую космическую скорость Земли (в три раза больше на уровне моря). Также ей удалось успешно создать особый, сверхплотный "горячий лёд", известный как лёд VII, быстро сжимая воду до давления от 70 000 до 120 000 атмосфер (7–12 ГПа). Механический удар от сталкивающихся снарядов, разогнанных Z-машиной, способен расплавить алмазы. Общий обзор различных задач Z-машины можно найти в отчете комитета Тривелпис 2002 года, посвященном обзору импульсных энергетических установок в Сандии. В этот период мощность генерируемого рентгеновского излучения возросла с 10 до 300 ТВт. Для достижения следующей цели – выхода на энергетическую безубыточность при синтезе – потребовалась дальнейшая модернизация.

Перспективы

В 2004 году была объявлена программа модернизации стоимостью 60 миллионов долларов (повышена до 90 миллионов долларов), названная ZR (Z Refurbished), для увеличения мощности на 50%. Машина Z была демонтирована в июле 2006 года для проведения этой модернизации, включая установку оборудования и компонентов новой конструкции, а также более мощных генераторов Маркса. Секция деионизированной воды машины была уменьшена примерно вдвое, а секция с маслом значительно расширена, чтобы разместить увеличенные промежуточные накопительные контуры (i-контуры) и новые лазерные башни, которые ранее находились в водной секции. Модернизация была завершена в октябре 2007 года. Новая машина Z теперь способна генерировать импульс тока около 26 миллионов ампер (вместо 18 миллионов ампер ранее) за 95 наносекунд. Излучаемая мощность была увеличена до 350 тераватт, а выход энергии в рентгеновском диапазоне – до 2,7 мегаджоулей. Однако максимальная температура, которой может достичь новая версия с использованием того же рекордного стального тороидального лайнера, примененного в 2005 году, пока неизвестна. Сверхвысокие температуры, достигнутые в 2006 году (от 2,66 до 3,7 миллиарда кельвинов), значительно превышают те, которые необходимы для классического термоядерного синтеза водорода, дейтерия и трития, рассматривавшегося ранее. Теоретически, если не практически, это может позволить синтез легких атомов водорода с более тяжелыми атомами, такими как литий или бор. Эти две возможные реакции синтеза не производят нейтронов, а следовательно, не вызывают радиоактивности или образования ядерных отходов, что открывает возможность создания человеком чистого аннейтронного термоядерного синтеза. Дорожная карта Sandia включает в себя еще одну версию машины Z под названием ZN (Z Neutron) для тестирования более высоких выходов энергии в системах термоядерного синтеза и автоматизации. Планируется, что ZN будет генерировать от 20 до 30 МДж энергии термоядерного синтеза водорода с одним импульсом в час, используя российский линейный трансформаторный драйвер (LTD) вместо нынешних генераторов Маркса. После 8–10 лет эксплуатации ZN станет пилотным заводом по трансмутации, способным производить импульс синтеза каждые 100 секунд. Следующим этапом станет испытательный стенд Z IFE (Z inertial fusion energy) – первая полномасштабная прототипная электростанция термоядерного синтеза с Z-приводом. Предполагается, что он будет интегрировать последние разработки Sandia с использованием LTD. Недавно Sandia Labs предложила концепцию 1 петаваттной (10¹⁵ Вт) электростанции Z-пинч с LTD, где электрический разряд достигнет 70 миллионов ампер. По состоянию на 2012 год, моделирование импульсов синтеза при токе 60–70 миллионов ампер показывает возврат энергии от 100 до 1000 раз превышающий затраченную. Тестирование при текущем максимальном уровне 26–27 миллионов ампер должно было начаться в 2013 году.

Программа Z-Pinch по инерциальной энергии термоядерного синтеза

Проект Sandia Laboratories Z IFE направлен на решение практических трудностей, связанных с получением энергии термоядерного синтеза. Основные проблемы включают в себя выработку энергии за один импульс Z-пинча и быструю перезагрузку реактора после каждого импульса. По предварительным оценкам, имплозия топливной капсулы каждые 10 секунд может экономически выдать 300 МВт энергии термоядерного синтеза.