Tesis Mathias Bavay tentang mesin Z Prancis

Tesis Mathias Bavay tentang Mesin Z Prancis

Mesin Z Prancis

Tesis Mathias Bavay

Dokumen diterbitkan pada 17 Juni 2006

Tesis ini, sangat terdokumentasi, dapat ditemukan di:

http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html

Judul:

Kompresi aliran magnetik dalam mode sub-mikrodetik untuk mencapai tekanan tinggi dan radiasi X

disertasi pada 8 Juli 2002 di CEG (Pusat Eksperimen Militer Gramat, Lot).

Generator Gramat (lihat gambar di atas) mampu menghasilkan impuls arus sebesar 2,5 juta ampere dengan durasi 800 nanodetik.


Generator Listrik ECF Gramat

Gambar zoom menunjukkan diameter instalasi, sekitar 20 meter (berbanding 33 meter untuk Mesin Z Sandia).

Gambar zoom

Bagian tengah instalasi ECF Gramat

Konfigurasi yang diusulkan Bavay, diuji di Gramat dan pada generator Sandia, sangat orisinal. Soviet telah menciptakan sistem kompresi aliran magnetik di mana bahan peledak kimia menekan "liner" yang terbuat dari material konduktor listrik, tembaga atau aluminium. Liner ini kemudian mengalami implosi, memampatkan medan magnet yang telah dipasang sebelumnya di dalamnya melalui loncatan listrik yang dihasilkan oleh kumparan solenoida menggunakan baterai kapasitor. Ide yang dikembangkan dalam tesis Bavay adalah menggunakan liner berupa kawat sebagai "piston" dan menggantikan tekanan eksternal dari bahan peledak kimia pada kompresor magneto-kumulasi dengan "tekanan magnetik". Dua ide utama muncul:

- Menggunakan liner yang lebih ringan, dengan inersia lebih kecil - Memastikan seluruh energi diserap oleh liner tersebut, karena "gas magnetik" memiliki "inersia nol".

Dengan demikian diperoleh kompresor dua tahap dengan ... dua liner, satu besar dan satu kecil. Secara kasar, ini yang akan diperoleh jika senapan plasmoide Sakharov dibuat tertutup!

Senapan Plasmoide Sakharov, dimodifikasi

Kita kembali ke skema awal. Loncatan listrik menciptakan medan magnet di "bantalan" A. Lalu bahan peledak dinyalakan oleh bagian kiri, menyebabkan ekspansi "liner" tembaga.

Kerucut tembaga menutup bantalan, menjebak medan magnet yang "dikompresi", cenderung mendorong cincin aluminium ke ruang antara "senapan" tembaga dan liner pusat yang penuh bahan peledak. Namun dalam konfigurasi baru ini, dorongan cincin tersebut dicegah, sehingga cincin tersebut menabrak ujung tertutup senapan dengan kecepatan tinggi, menghasilkan tekanan besar. Tentu saja, ruang antara cincin tembaga dan penutup di sebelah kanan (berwarna abu-abu) telah dibuat hampa udara. Cincin aluminium berfungsi sebagai liner kedua yang menguap dan berubah menjadi plasma saat melewati jalur tersebut. Liner pusat juga mengalami perubahan plastis.

Kembali ke tesis Bavay. Kita akan mengenali elemen-elemen dari konfigurasi di atas, meskipun dibuat secara berbeda. Seperti yang telah dikatakan, kedua liner adalah "berkawat" dan akan berubah menjadi plasma. Harus ada tekanan magnetik tertentu dalam ruang A sebelum ruang tersebut ditutup. Sisa yang perlu diganti adalah elemen pendorong, yaitu gas dari ledakan, diganti dengan tekanan magnetik. Hasilnya adalah sebagai berikut:

Konfigurasi Tesis Mathias Bavay

Agar lebih mudah dipahami, mungkin perlu menyusun dua tahap dalam satu gambar. Berikut adalah konfigurasi Bavay dalam kondisi awal:

Konfigurasi Mathias Bavay dalam kondisi awal

Ada dua loncatan listrik, satu digambarkan ungu ("loncatan primer") dan satu lagi merah ("loncatan sekunder"). Kedua loncatan ini menciptakan medan magnet di dalam dua rongga koaksial berbentuk torus. Terlihat sebuah "liner" silinder yang sebenarnya terdiri dari kumpulan kawat pertama. Dalam tesis Bavay disebutkan bahwa ketika kawat-kawat ini dialiri arus listrik tinggi, mereka tidak langsung berubah menjadi plasma logam. Sebaliknya, mereka memiliki umur panjang, bisa mencapai 80% waktu yang dibutuhkan "tirai kawat" ini bergerak secara radial menuju sumbu. Inilah kuncinya dalam mempertahankan asimetri sumbu dalam eksperimen Sandia. Ketika objek ini mengalami implosi, bukan sekumpulan kawat yang berdampingan atau tirai plasma, melainkan "campuran keduanya". Hal ini telah diteorikan oleh Malcolm Haines, yang menyebutnya "pembentukan kulit":

Pembentukan "kulit"

Di atas, kawat-kawat sedikit waktu setelah loncatan dimulai. Mereka mulai menguap secara permukaan. Kawat-kawat yang masih padat dikelilingi oleh lapisan plasma logam. Dalam tesis Bavay disebutkan bahwa kawat-kawat ini tetap memiliki inti dingin dan padat. Mereka menguap di bagian tepinya, memancarkan plasma yang terdiri dari atom logam yang menyebar. Ketika silinder-silinder plasma ini bertemu, "mahkota" terbentuk. Bavay menyatakan bahwa mahkota ini terbentuk ketika 80% waktu implosi telah berlalu. Ini berarti selama waktu tersebut, arus tetap mengalir secara individual melalui kawat-kawat. Jika ketidakstabilan MHD bisa terjadi dalam plasma (gas ionisasi) di mana kerapatan arus bisa berfluktuasi dan juga intensitas medan magnet, hal ini tidak terjadi dalam tirai kawat.

Dalam tesisnya, kecepatan ekspansi uap logam adalah 10.000 m/s untuk tungsten dan 22.000 m/s untuk aluminium. Orde besar diameter kawat (jumlah 240): 10 mikron.

Saya tidak menemukan kecepatan ekspansi untuk kawat stainless steel. Orang-orang Sandia sangat terkejut melihat suhu akhir implosi mencapai 2 miliar derajat. Penjelasan kemungkinan adalah kecepatan ekspansi uap baja stainless lebih rendah, yang menunda pembentukan "mahkota" tempat ketidakstabilan bisa muncul. Seperti disebutkan sebelumnya, kawat-kawat ini tetap memiliki "inti dingin", sehingga pada akhirnya yang bertabrakan di sumbu adalah kawat-kawat itu sendiri, dengan plasma terbentuk pada saat-saat terakhir implosi. Dengan demikian, alih-alih ratusan kilometer per detik, kecepatan radial saat tabrakan bisa mencapai 1000 km/detik. Maka kenaikan suhu ini terkait dengan ... perubahan material. Pertanyaan terbuka.

Pada waktu tm, lapisan plasma ini bertemu. Dari sini kita mendapatkan dua keuntungan. Penutupan ini membentuk "dinding kedap" terhadap medan magnet, sementara ketidakseragaman medium dalam arah azimutal menahan pertumbuhan ketidakstabilan MHD dan mempertahankan asimetri sumbu proses.

Kembali ke skema tesis Bavay, setelah direvisi:

Konfigurasi Bavay setelah crowbar

Dalam loncatan ini, kapasitor melepaskan energi ke sirkuit yang memiliki induktansi. Bagi yang bisa melihat dalam 3D, distribusi dua lapisan arus ungu dan merah memiliki geometri kurva pembentuk torus. Ini seperti "kumparan". Ketika tirai "kawat + plasma logam" bergerak mendekati sumbu, maka "gap" yang disebut Bavay tertutup. Dengan demikian, kumparan ini terisolasi dari kapasitor yang membebani. Kita kembali ke tema "crowbar" yang disebutkan sebelumnya dalam keseluruhan dokumen. Arus merah akan terus "mengelilingi" dan secara alami akan kehilangan intensitas karena dissipasi Joule (pembuangan energi dari kumparan ke dalam resistansi yang dibentuk oleh kumparan itu sendiri).

Ungu Jprim berarti "arus primer". Arus ini menciptakan medan magnet, dengan garis gaya yang tidak digambarkan tetapi berarah azimutal. Medan ini setara dengan tekanan magnetik dan bekerja pada liner pertama yang selalu diberi bentuk silinder skematis. Volume di mana medan magnet diciptakan oleh arus merah akan berkurang. Agar fluks tetap terjaga, medan magnet akan meningkat, begitu pula arus (merah), sehingga disebut Jamp (arus diperkuat). Tekanan magnetik ini bekerja pada liner kedua berbentuk kawat yang berada di bagian atas gambar, yang berperan seperti cincin aluminium dalam "senapan plasmoide tertutup" kita. Liner kedua ini juga berubah menjadi tirai tidak seragam, terdiri dari kawat logam yang terhubung oleh atmosfer uap logam. Semuanya secara lembut bergerak menuju sumbu. Semuanya tergantung pada nilai parameter eksperimen. Jadi kita juga memiliki "kandang burung" di bagian atas gambar, dengan diameter awal tertentu. Arus yang mengalir melaluinya lebih rendah dibanding eksperimen Sandia: 2,5 juta ampere dibanding 20 juta. Kandang ini juga lebih kecil. Implosinya mampu mencapai beberapa juta derajat, dan dalam hal ini sistem memenuhi harapan sebagai generator sinar-X. Namun jika perangkat ini mampu mengimplosi kandang yang lebih besar, dengan diameter 8 cm, dan arus bisa ditingkatkan hingga 20 juta ampere, kita tidak melihat alasan mengapa suhu fantastis 2 miliar derajat tidak bisa dicapai di Lot, Prancis. Harus ditegaskan bahwa sistem pemberian daya Gramat menghasilkan loncatan 100 nanodetik, sama seperti Mesin Z Sandia.

Sekarang mari kita lihat beberapa hasil (merujuk ke tesis Bavay, yang dapat diakses secara daring).

Biru: arus primer, merah: arus sekunder.

Arus primer menurun karena generator melepaskan energi ke kumparan dengan nilai induktansi yang meningkat (terkait dengan ekspansi rongga). Arus sekunder awalnya meningkat perlahan, terkait dengan pelepasan sumber (kapasitor melepaskan energi ke kumparan). Patahan terjadi saat "gap" tertutup atau crowbar bekerja, sekitar dua mikrodetik setelah penembakan dimulai. Pada saat itu arus merah melonjak karena arus mengalir dalam kumparan yang mengecil akibat perubahan bentuk rongga torus. Terjadi lonjakan arus terinduksi. Waktu naik arus sesuai dengan yang dibutuhkan: ratusan nanodetik. Memang perlu waktu naik arus yang lebih pendek dari waktu yang dibutuhkan liner sekunder untuk mengalami implosi, agar kawat-kawat bisa mendapatkan energi kinetik, yang kemudian diubah menjadi energi getaran termal saat menabrak sumbu.

Gambar ini berasal dari percobaan lain. Di sini terlihat daya yang dipancarkan dalam bentuk sinar-X.

Daya yang dipancarkan dalam bentuk sinar-X

Warna kuning: daya yang dipancarkan dalam bentuk sinar-X.

Kesimpulan dari membaca tesis Bavay adalah bahwa orang Prancis memiliki seluruh keahlian untuk membangun eksperimen serupa dengan Mesin Z (kita punya yang sama di rumah, sedikit lebih kecil). Secara pribadi, saya menyarankan untuk memodifikasi kompresor, yang akan memberi keuntungan dalam membuat implosi "liner besar" lebih stabil. Tidak perlu membuat belokan tajam, agar energi bisa masuk ke "kandang burung" di posisi atas. Selain itu, konfigurasi Gramat "dua tahap dan dua liner kawat", yang sangat cerdik (kita di Prancis punya orang-orang secerdik Rusia), mungkin bisa menghasilkan hasil yang sama seperti Amerika, bahkan dengan mesin yang sedikit lebih kecil, menggunakan sumber arus seperti yang tersedia. Dalam semua kasus, jika saya berada di Gramat, saya akan langsung mencobanya. Meskipun jelas saya hanya tertarik pada aplikasi sipil dari penemuan ini, hal pertama yang harus dilakukan adalah mencapai fusi "murni" dari sejumlah kecil hidrid litium, dengan cara apa pun dan di mana pun, dalam konteks apa pun. Setelah itu, "masing-masing menjalani hidupnya". Warga sipil akan menyesuaikan eksperimen menjadi pembangkit listrik, sementara militer membuat bom dengan mengganti sumber arus listrik awal menjadi sumber magnetopyroteknik ala Rusia. Bagaimanapun, jika orang Prancis mulai membuat bom fusi murni, yang tak terhindarkan, mereka bukan satu-satunya. Lihatlah kegaduhan yang sedang terjadi saat ini di AS. Kita akan menemukan hal yang sama di Rusia dan Tiongkok, bahkan di tempat lain.

18 Juni 2006: Saran, sangat skematis, untuk perbaikan konfigurasi Mathias Bavay. Konvergen tentu saja tidak akan berbentuk sudut tajam. Perangkat akan dioptimalkan menggunakan simulasi numerik, tetapi tampaknya liner kawat nomor 1 harus lebih stabil.

Simetri yang lebih besar dari konfigurasi ini seharusnya memungkinkan kenaikan tekanan dan suhu optimal di dalam kandang kawat pusat.

Berapa suhu akhir implosi?

Apa yang bisa diharapkan dari mesin Gramat? Intensitas tetap terbatas. Dua juta lima ratus ribu ampere, berbanding 20 juta untuk Mesin Z. Di Inggris, Magpie di Imperial College mencapai 1,4 MA.

Berapa biaya instalasi jenis ini? Perpindahan dari Z ke ZR di Sandia mencapai biaya 61 juta dolar AS. Biaya Mesin Z dapat diperkirakan sekitar 50 juta euro. Biaya ITER diperkirakan 13 miliar euro (dan kemungkinan akan melebihi angka ini), sehingga rasio biaya adalah 1:260. Biaya LMJ, Laser Megajoule: 2,5 miliar euro. Ini 50 kali biaya pembangunan "ZR" Prancis. Jika logis, kita harus "mendorong lebih jauh" ke arah generator yang menghasilkan puluhan mega-ampere dalam 100 nanodetik. Perancang generator ECF Gramat adalah insinyur Politeknik Jean-François Léon. Sejak 2002 ia telah merancang rencana suksesor ECF yang mampu mencapai 60 mega-ampere.

Lihatlah ZR, suksesor Mesin Z di Sandia. Proyek ini dirancang sebelum terobosan 2005, sebelum suhu 3,77 miliar derajat. Ini sebenarnya hanya "generator sinar-X yang sedikit lebih kuat". Seperti apa bentuk Mesin Z?

Mesin Z Sandia

PDF yang saya lupa URL-nya menyatakan bahwa dua unit ditempatkan di setiap "sinar". Pada ZR, tiga unit ditumpuk satu