Francouzská Z-stroj
Dizertační práce Mathiase Bavaye
dokument online od 17. června 2006
Tuto dizerci, velmi dobře dokumentovanou, najdete na:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Název:
Komprese magnetického toku v submikrosekundovém režimu pro dosažení vysokých tlaků a rentgenového záření
obhajena 8. července 2002 na CEG (Centrum vojenských experimentů Gramat, Lot).
Generátor Gramat (viz obrázky výše) umožňuje dodávat proudové impulzy o síle 2,5 milionu ampérů trvající 800 nanosekund.
Elektrický generátor ECF z Gramat
Zvětšený pohled ukazuje průměr instalace, přibližně 20 metrů (proti třiceti třem u Z-stroje z Sandie).
Zvětšený pohled
Střední část instalace ECF z Gramat
Montáž navržená Bavayem, otestovaná v Gramat a na generátoru z Sandie je velmi originální. Sověti vynalezli systémy s kompresí toku, kde chemický exploziv působí tlakem na „obálku“ tvořenou vodivým materiálem, mědí nebo hliníkem. Tato obálka se tak zhroutí a komprimuje magnetické pole uvnitř, které bylo předtím vytvořeno elektrickým výbojem ve solenoidu pomocí kondenzátorové baterie. Myšlenka vyvinutá v dizerci Bavaye spočívá v použití drátové obálky jako „pístu“ a nahrazení vnějšího tlaku, původně chemického u magnetokumulačních kompresorů, „magnetickým tlakem“. Zde se objevují dvě myšlenky:
- Použití lehčí obálky s nižší setrvačností
- Zajištění přenosu celé energie na tuto obálku, protože „magnetický plyn“ má „nulovou setrvačnost“.
Tím vzniká dvoustupňový kompresor s ... dvěma obálkami, jednou velkou a jednou malou. V podstatě by to bylo to, co by se dostalo z plazmoidního kanónu Sakharova, kdybychom tento kanón... uzavřeli!
Plazmoidní kanón Sakharova, upravený
Znovu se vrátíme k původnímu schématu. Elektrický výboj vytvoří magnetické pole v „klenotu“ A. Pak je exploziv zapálen levou částí, což způsobí rozšíření měděné obálky.
Měděný kužel uzavírá klenot a uvězní magnetické pole, které „komprimováno“ se snaží vypudit hliníkový prstenec do prostoru mezi „kanónem“ z mědi a střední obálkou plnou explozivu. V novém uspořádání však zabráníme vypuzení tohoto prstence, který se rychle srazí do uzavřeného konce „kanónu“, čímž vznikne velký tlak. Samozřejmě bylo zajištěno vakuum mezi měděným prstencem a uzavíracím prvku na pravé straně, šedivé barvy. Hliníkový prstenec plní roli druhé „obálky“, protože při průchodu se vypaří a promění se v plazma. Střední obálka také prochází plastickou transformací.
Vraťme se k dizerci Bavaye. Uvidíme prvky uvedeného uspořádání, ale s jiným provedením. Jak jsme řekli, obě obálky jsou „drátové“ a přemění se na plazma. Je třeba vytvořit určitý magnetický tlak v prostoru A předtím, než bude tento prostor uzavřen. Zbývá nahradit pohonného prvku, plynu z exploze, magnetickým tlakem. Takto získáme následující:
Uspořádání dizerce Mathiase Bavaye
Pro lepší pochopení by možná bylo vhodné znovu složit oba časy znázorněné zde na jednom obrázku. Zde je nejprve uspořádání Bavaye v jeho původním stavu:
Uspořádání Mathiase Bavaye v původním stavu
Jsou zde dvě elektrické výboje, jeden znázorněn fialově – „primární výboj“ a druhý červeně – „sekundární výboj“. Tyto dva výboje vytvářejí magnetické pole uvnitř dvou souosých dutin s toroidní geometrií. Rozlišuje se „cylindrická obálka“, která je ve skutečnosti tvořena prvním souborem drátů. Z dizerce Bavaye vyplývá, že když jsou tyto dráty procházeny vysokým proudem, nezmení se okamžitě na kovové plazma. Naopak mají poměrně dlouhou životnost, která může dosáhnout 80 % času, který trvá „zácloně drátů“ pohybující se radiálně směrem k ose. To je tajemství udržení osé symetrie v experimentu z Sandie. Když tento objekt kolabuje, nejde o soubor drátů uspořádaných vedle sebe ani o záclonu plazmatu, ale o „směs obou“. Toto bylo teoretizováno Malcomem Hainesem, který tomuto jevu říká „tvorba skořápky“:
Tvorba „skořápky“
Nahoře jsou dráty krátce po spuštění výboje. Začínají se povrchově sublimovat. Tyto stále pevné dráty jsou obklopeny obalem plazmatu. V dizerci Bavaye se píše, že dráty udržují chladný pevný jádro. Sublimují se na okraji a vydávají plazma tvořené kovovými atomy, které se rozšiřuje. Když se tyto plazmové válce spojí, vzniká „koruna“. Bavay píše, že koruna se tvoří, když uplynulo 80 % času kolapsu. To znamená, že po celou dobu proudí proud jednotlivě v drátech. Pokud mohou v plazmatu (ionizovaném plynu) vznikat nestability MHD, kde lokální hustota proudu a intenzita magnetického pole může kolísat, toto v zácloně drátů neplatí.
V dizerci se uvádí, že rychlost rozšíření kovové páry je 10 000 m/s pro wolfram a 22 000 m/s pro hliník. Řád velikosti průměru drátů (jejich počet je 240): 10 mikronů.
Nenašel jsem rychlost rozšíření pro dráty z nerezové oceli. Lidé z Sandie byli velmi překvapeni, když zjistili, že teplota dosažená na konci kolapsu dosáhla 2 miliard stupňů. Možným vysvětlením by mohlo být, že rychlost rozšíření páry z nerezové oceli je nižší, což by zpomalilo vznik „koruny“, kde mohou vznikat nestability. Jak bylo řečeno výše, dráty udržují „chladné jádro“, takže se skutečně jedná o „dráty“, které se setkají na ose, zatímco plazmová šňůra vzniká až v posledních okamžicích kolapsu. Takže místo několika set km/s může být rychlost radiálního pohybu při nárazu dosáhnout 1000 km/s. Z toho vyplývá nárůst teploty spojený s ... změnou materiálu. Otevřená otázka.
V čase tm se plazmové obaly spojí. Tím získáme na dvou stranách. Tato uzavřená část umožňuje vytvořit „těsnou přepážku“ pro magnetické pole, zatímco nerovnoměrnost prostředí v azimutálním směru brání růstu MHD nestabilit. To udržuje osovou symetrii procesu.
Znovu se vrátíme k schématu dizerce Bavaye po jeho přepracování:
Uspořádání Bavaye po crowbaru
Při těchto výbojích se kondenzátory vybíjejí do obvodů s indukčností. Pro ty, kdo vidí ve 3D, mají tyto dvě plochy proudu fialové a červené geometrii generátorů toroidu. Jsou to „něco jako cívky“. Když záclona „drát + kovové plazma“ postupuje směrem k ose, uzavře to, co Bavay nazývá „mezeru“. Tím se tato „cívka“ oddělí od kondenzátoru, který ji nabil. Zde se objevuje téma crowbaru zmíněné výše v celém dokumentu. Červený elektrický proud bude nadále „kroužit“ a přirozeně ztrácí intenzitu kvůli Jouleově odporu (výboj cívky do odporu tvořeného... samou sebou).
Fialově
Jprim
znamená „primární proud“. Tento proud vytváří magnetické pole, jehož siločáry nejsou znázorněny, ale jsou azimutální. Toto pole je synonymem magnetického tlaku a tento tlak působí na první obálku, které vždy dáváme schématický válcový tvar. Objem, kde se nachází magnetické pole vytvořené červeným proudem, bude klesat. Pro zachování toku musí být magnetické pole zvýšeno, stejně jako proud (červený), což vysvětluje název
Jamp
(proud zesílený). Tento magnetický tlak působí na druhou „drátovou obálku“ umístěnou nahoře na obrázku, která bude hrát roli, kterou v našem „zavřeném plazmoidním kanónu“ hraje hliníkový prstenec. Tato druhá obálka se také promění v nerovnoměrnou záclonu tvořenou kovovými dráty spojenými atmosférou vypařeného kovu. A všechno se pohybuje směrem k ose. Vše je pak otázkou hodnot experimentálních parametrů. Měli jsme tedy také „kletku pro ptáka“ nahoře na obrázku s určitým počátečním průměrem. Proud, který ji prochází, je slabší než v experimentu z Sandie: 2,5 milionu ampérů místo 20. Tato kletka je také menšího rozměru. Její kolaps umožňuje dosáhnout několika milionů stupňů a v tomto smyslu systém splňuje své závazky, stává se generátorem rentgenového záření. Ale pokud by zařízení umožnilo kolaps větší kletky o průměru 8 cm a proud by byl zvýšen na 20 milionů ampérů, nevidím důvod, proč by tato fantastická teplota 2 miliard stupňů nemohla být dosažena v Lotu, ve Francii. Je třeba zdůraznit, že napájecí systém z Gramat dodává výboje trvající 100 nanosekund, stejně jako Z-stroj z Sandie.
Přejděme k některým výsledkům (viz dizerci Bavaye, dostupné online).
Modře je „primární proud“, červeně „sekundární proud“.
Primární proud klesá, protože generátor se vybíjí do cívky s rostoucí indukčností (což souvisí s rozšířením dutiny). Sekundární proud nejprve pomalu roste, což je způsobeno jednoduchým výbojem zdroje (kondenzátor se vybíjí do cívky). Zlom odpovídá okamžiku, kdy je „mezera“ uzavřena nebo kdy dochází k crowbaru, tedy o něco více než dvě mikrosekundy po spuštění výstřelu. V tomto okamžiku skočí červený proud, protože jde o proud, který protéká cívkou, jejíž indukčnost klesá kvůli stlačení této toroidní dutiny. Získáme špičku indukovaného proudu. Čas náběhu proudu odpovídá požadavkům: stovky nanosekund. Je totiž třeba, aby tento náběh proběhl v čase kratším než čas potřebný druhé obálce na kolaps, aby dráty mohly získat kinetickou energii, která bude převedena na tepelnou energii při nárazu do osy.
Tento obrázek pochází z jiného výstřelu. Na něm je viditelná vyzařovaná energie ve formě rentgenového záření:
Vyzařovaná energie ve formě rentgenového záření
Žlutě je vyzařovaná energie ve formě rentgenového záření.
Zde první obálka směřuje k ose, poháněna magnetickým tlakem odpovídajícím fialovému obvodu proudu, který působí v toroidním objemu zobrazeném bíle za touto obálkou z drátů během jejich vypařování, kde protékají společně fialové a červené proudy. Na přední straně první obálky působí magnetický tlak (šedá plocha), který začíná působit na druhou drátovou obálku, také během jejího vypařování, a způsobuje její kolaps směrem k ose stroje. Dole je mezikruhová mezera uzavřena částí drátové obálky, která leží a umožňuje zde radiální proud (fialový).
Závěr čtení dizerce Bavaye je, že Francouzi mají všechny znalosti potřebné k provedení experimentu podobného Z-stroji („máme to stejné doma“, jen trochu menší). Já osobně navrhuji upravit kompresor, který by měl za výhodu zvýšit stabilitu kolapsu „velké obálky“. Nemusí být nutné, aby se tento kolaps přiřítil do tak ostrého úhlu, aby tato energie mohla proniknout „do této kletky pro ptáka“ v horní části. Navíc uspořádání Gramat s „dvěma stupni a dvěma drátovými obálkami“, velmi chytře navržené (máme ve Francii stejně chytré lidi jako Rusové), by mohlo možná při použití zdroje proudu v jeho současném stavu dosáhnout stejného výsledku jako Američané, i když s trochu méně výkonným zařízením. V každém případě, kdybych byl v Gramat, hned bych to zkusil. I když jsem samozřejmě zajímavý pouze o civilní aplikace této objevy, první věc, kterou bych udělal, je dosáhnout „čisté fúze“ malého množství lithiového hydridu libovolným způsobem a kdekoli, v jakémkoli kontextu. Potom „každý žije svým životem“. Civilisté přepracují experiment na elektrický generátor a vojáci dělají bomby, kde nahradí elektrický zdroj za magnetopyrotechnický zdroj, jak to dělají Rusové. V každém případě, pokud by Francouzi začali dělat čisté fúzní bomby, což je nevyhnutelné, nebyli by sami. Uvidíme, jaká bouchačka panuje právě teď v USA. Našli bychom stejnou situaci i v Rusku a Číně, možná i jinde.
- června 2006
: Návrh, velmi schématický, zlepšení uspořádání Mathiase Bavaye. Konvergent by samozřejmě neměl mít ostré úhly. Zařízení by se mělo optimalizovat pomocí numerických simulací, ale zdá se mi, že drátová obálka č. 1 by měla být stabilnější.
Uspořádání před přepínačem (symetrie rotace kolem svislé osy).
Průměr střední drátové kletky: 80 mm. Stejné uspořádání jako v Sandii. Drát z nerezové oceli
Hned po přepínači se tvoří toroidní proudové plochy, začínají vypařovat drátové obálky,
nejprve velkou obálku č. 1 (fialová barva). Magnetický tlak ji pohání směrem k ose systému.
Drátová vrstva č. 1 začíná vypařovat. „Skořápka“ se tvoří a zvláště se přilepuje na kruhovou mezeru. Tím uzavře crowbar pro proud, který protéká druhé toroidní vrstvě obsahující obě drátové obálky. Magnetický tlak nadále působí na obálku č. 1.
Jev pokračuje. Snížení druhé toroidní dutiny pod tlakem magnetickým působícím za obálkou č. 1 způsobuje nárůst proudu v přidružené toroidní proudové ploše. Proud v drátové obálce č. 2 se zesiluje, což zvyšuje vypařování jejích drátů z nerezové oceli. Skořápka se tvoří. Tato obálka kolabuje směrem k ose systému.
Větší symetrie tohoto uspořádání by měla umožnit optimální nárůst tlaku a teploty v centrální drátové kletce.
Teplota na konci kolapsu?
Co bychom mohli očekávat od stroje z Gramat? Intenzita je stále omezená. Dva a půl megaampérů místo dvaceti u Z-stroje. Ve Velké Británii Magpie, umístěný na Imperial College, dosahuje 1,4 MA.
Jaký může být náklad takové instalace? Přechod od Z k ZR v Sandie stál 61 milionů dolarů. Náklad na Z-stroj lze odhadnout na 50 milionů eur. Náklad na ITER je čtyřnásobně vyšší – 13 miliard eur (a to bude pravděpodobně překonáno). Poměr by tedy byl jeden ku dvěma set sedmdesáti. Náklad na LMJ, Laser megajoule: 2,5 miliardy eur. To je 50krát více než náklad na stavbu „francouzské ZR“. Kdybychom byli logičtí, „přehnali bychom“ směrem k těmto generátorům dodávajícím desítky megaampérů za 100 nanosekund. Vynálezce ECF z Gramat je polytechnik Jean-François Léon. Již v roce 2002 připravil plány na nástupce ECF schopného dosažení 60 megaampérů.
Pohled na ZR, nástupce Z-stroje v Sandii. Projekt byl navržen před průlomem roku 2005, před 3,77 miliardami stupňů. Mělo jít jen o „trochu silnější generátor rentgenového záření“. Jak vypadá Z-stroj?
Z-stroj v Sandii
PDF, jehož URL jsem zapomněl, uvádí, že bylo na každém „příčníku“ překryto dvě jednotky. V ZR jsou tři takové stupně jedna nad druhou. Intenzita tedy stoupá z 18 na 28 megaampérů, tedy je násobena faktorem 3/2.
ZR: Stejný průměr: 33 metrů, ale tři stupně jedna nad druhou místo dvou.
Uspořádání je stále dominováno jeho hlavním účelem: vystavit hlavice silnému rentgenovému záření. Je třeba si uvědomit, že původně měla být drátová obálka vypařena a komprimovat cíl tvořený válcem polystyrenu o průměru 2 cm a výšce 4 cm. Zvýšením teploty měl tento materiál vyzařovat směrem nahoru přes okno. Bylo to v rámci „holraum“, „pece“. Jak je, ZR je stroj na testování hlavic. S tímto novým proudem, protože ionizační teplota roste jako druhá mocnina intenzity, Američané mohou doufat, že se přiblíží deseti miliardám stupňů, teplotě v jádru supernovy. Ale žádná technická obtíž by nebránila „dvojnásobnému ZR“ umístěním tří dalších stupňů nahoře, což by zvýšilo proud na 56 milionů ampérů.
Po obhájení dizerce se Bavay, po dokončení svých pokusů na ECF v Gramat a experimentech na Z-stroji v Sandii, když mu nebyla nabídnuta žádná možnost pokračování prací v Gramat, přijal nabídky lidí z Albuquerque a odjel pokračovat ve výzkumu do Spojených států.
Upozorněn čtenářem na dobrý článek, nedávný, v Wikipedii
http://fr.wikipedia.org/wiki/Z_machine
