프랑스 Z기계
마티아스 바바이의 논문
2006년 6월 17일 온라인 게시
이 논문은 다음에서 확인할 수 있음:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
제목:
1미크로초 미만의 시간에 자기장 흐름을 압축하여 고압 및 X선을 생성하는 것
2002년 7월 8일, 그라마(라트 주의 군사실험센터, CEG)에서 방어적 보고
그라마 발전기(위 이미지 참조)는 250만 암페어의 전류를 800나노초 동안 공급할 수 있다.
그라마의 ECF 전기 발전기
확대된 사진은 시설의 지름이 약 20미터임을 보여주며, 샌디아의 Z기계(약 33미터)보다 작다.
확대된 사진
그라마의 ECF 시설 중심부
바바이가 고안한 장치는 그라마에서 실험되었으며 샌디아의 기계에서도 시험되었다. 이 장치는 매우 독창적이다. 소련은 화학 폭약이 전도성 재료(구리 또는 알루미늄)로 이루어진 '링어'에 압력을 가하여 그 안에 미리 전기 방전을 통해 솔레노이드에서 생성된 자기장을 압축하는 시스템을 개발했다. 바바이의 논문에서 제안된 아이디어는 전기화학적 압력 대신 '자기압력'을 사용하여 '선형'을 '피스톤'처럼 이용하는 것이다. 이 아이디어는 두 가지를 포함한다:
- 더 가벼운, 관성도 작은 링어 사용
- 전체 에너지가 이 링어에 전달되도록 하여, '자기 가스'는 '무관성'을 가진다.
결과적으로 이는 두 단계 압축기로 이어지며, 큰 링어와 작은 링어를 사용한다. 이는 사카로프의 플라스모이드 총을 막았다면 얻을 수 있었던 것과 거의 동일하다.
사카로프의 플라스모이드 총 (수정됨)
원래의 그림을 다시 살펴보자. 전기 방전이 A부분(배럴)에 자기장을 생성한다. 그 후 왼쪽 부분이 폭발을 유도하여 구리 링어가 팽창한다.
구리 콘은 배럴을 닫아 자기장을 가두며, 압축된 자기장은 알루미늄 링어를 구리 총과 중앙 링어 사이의 공간으로 밀어낸다. 그러나 새로운 장치에서는 이 링어의 방출을 막아, 고속으로 닫힌 총 끝부분에 충돌시켜 강한 압력을 발생시킨다. 물론, 구리 링어와 오른쪽의 회색 막힘 장치 사이에는 진공 상태를 유지해야 한다. 알루미늄 링어는 압축 과정에서 증발하여 플라즈마가 되며, 두 번째 링어 역할을 한다. 중앙 링어 역시 플라스틱 변형을 겪는다.
바바이의 논문으로 돌아가자. 위의 장치 요소들을 다르게 구성한 것이 있다. 앞서 말했듯이 두 링어는 '선형'이며, 플라즈마로 변환된다. 링어가 닫히기 전에 A공간 내에 일정한 자기압력이 만들어져야 한다. 폭발로 인한 가스 대신 자기압력을 추진력으로 사용해야 한다. 그 결과 다음과 같은 장치가 된다:
마티아스 바바이의 논문 장치
이를 더 잘 이해하기 위해, 이 두 단계를 하나의 이미지로 재구성하는 것이 좋을 것이다. 먼저 바바이 장치의 초기 상태를 보자:
마티아스 바바이 장치의 초기 상태
두 개의 전기 방전이 있다. 보라색은 '주 방전', 빨간색은 '보조 방전'이다. 이 두 방전은 공축 원형 구조의 두 공동 내에서 자기장을 생성한다. 원통형 링어가 있으며, 이는 처음에는 선의 집합으로 구성되어 있다. 바바이의 논문에 따르면, 이 선들이 강한 전류를 흘릴 때 급격히 플라즈마로 변하지 않는다. 오히려 상당한 수명을 가지며, 이 '선의 장막'이 축 방향으로 수렴하는 데 걸리는 시간의 약 80%까지 지속된다. 이것이 샌디아 실험에서 축대칭을 유지하는 비결이다. 이 물체가 붕괴될 때, 그것은 단순한 선의 배열이 아니며, 플라즈마 장막도 아니다. 오히려 둘의 혼합물이다. 이는 말콤 헤인스가 이론화한 '껍질 형성'이라고 한다:
껍질 형성
위 그림은 방전이 시작된 직후의 선들이다. 선들은 표면에서 서서히 증발하기 시작한다. 여전히 고체 상태인 선들은 금속 플라즈마 코팅으로 둘러싸여 있다. 바바이의 논문에서는 선들이 중심부는 차가운 고체 상태를 유지하며, 주변부만 증발하여 금속 원자로 이루어진 플라즈마를 방출한다고 설명한다. 이러한 플라즈마 원통이 만나면 '관'이 형성된다. 바바이는 이 관이 붕괴 시간의 80%가 지나면 형성된다고 기술한다. 이는 전체 시간 동안 전류가 선들 각각을 통해 개별적으로 흐르고 있음을 의미한다. 플라즈마(이온화된 가스)에서는 국부적인 전류 밀도나 자기장 강도가 변동할 수 있는 MHD 불안정성이 발생할 수 있지만, 선의 장막에서는 이와 같은 현상이 발생하지 않는다.
논문에 따르면, 텅스텐의 금속 증기 확산 속도는 초당 10,000미터, 알루미늄은 초당 22,000미터이다. 선의 지름(240본)은 약 10마이크론이다.
스테인리스 선의 확산 속도는 찾지 못했다. 샌디아의 연구자들은 붕괴의 마지막 순간에 20억도에 달하는 온도에 도달하는 것을 보고 놀랐다. 가능한 설명 중 하나는 스테인리스 강의 증기 확산 속도가 더 낮아 관 형성이 지연되어 불안정성이 생길 가능성이 줄어들기 때문일 수 있다. 앞서 언급했듯이 선들은 '차가운 중심부'를 유지하므로, 실제로는 거의 '선' 그 자체가 축에 도달하며, 플라즈마 줄기는 붕괴의 마지막 순간에 형성된다. 따라서 충격 시 반경 방향 속도는 수백 km/s에서 1,000 km/s까지 도달할 수 있다. 이로 인해 온도가 급격히 상승하는 것은 ... 재료의 변화 때문일 수 있다. 여전히 미해결 문제이다.
시간 tm에 플라즈마 코팅이 만나게 된다. 이로 인해 두 가지 이점이 생긴다. 이 닫힘은 자기장에 대해 밀폐된 '벽'을 형성하며, 원주 방향의 비균일성은 MHD 불안정성의 증가를 억제하고 과정의 축대칭을 유지한다.
바바이의 논문 그림을 다시 살펴보자:
바바이 장치의 크로바르 이후 상태
이 방전에서 커패시터가 인덕턴스를 가진 회로에 방전된다. 3차원적으로 보면 보라색과 빨간색 전류층은 토러스의 생성곡선 형태를 띤다. 마치 '코일'과 같다. '선 + 금속 플라즈마' 장막이 축 방향으로 진행되면서 바바이가 '갭'이라 부르는 부분을 닫는다. 이로 인해 이 '코일'은 충전된 커패시터로부터 고립된다. 이는 앞서 언급한 크로바르의 개념과 일치한다. 빨간색 전류는 계속해서 이와 같이 순환하며, 저항(자기 자신)에 의해 자연스럽게 전류가 감소한다(Joule 열 손실).
보라색
Jprim
는 '주 전류'를 의미한다. 이 전류는 자기장을 생성하며, 그 선은 표시되지 않았지만 원주 방향이다. 이 자기장은 자기압력과 동일하며, 이 압력은 항상 원통형으로 표현된 첫 번째 링어에 작용한다. 빨간색 전류가 생성하는 자기장이 존재하는 부피는 감소한다. 플럭스 보존 법칙에 따라 자기장과 전류(빨간색)는 증가하게 되며, 이에 따라 '증폭 전류'라 불린다(Jamp). 이 자기압력은 그림 상단에 있는 두 번째 '선형 링어'에 작용하며, 이는 우리가 '막힌 플라스모이드 총'에서 알루미늄 링어가 수행했던 역할을 한다. 두 번째 링어도 비균일한 장막으로 변하며, 금속 선들이 증기 금속 분위기로 연결된다. 이 모든 것이 조용히 축 방향으로 수렴한다. 결국 모든 것은 실험 파라미터의 값에 달려 있다. 따라서 그림 상단에는 일정한 초기 지름을 가진 '새장'이 있다. 이를 통과하는 전류는 샌디아 실험보다 약간 약하다: 20백만 암페어 대신 250만 암페어. 이 새장도 크기가 작다. 이 붕괴는 수백만 도까지 온도를 끌어올릴 수 있으며, 이는 X선 생성기로서의 성능을 입증한다. 그러나 더 큰 새장(지름 8cm)을 붕괴시키고 전류를 2천만 암페어까지 끌어올릴 수 있다면, 딘리가 200본의 스테인리스 선을 배치한 것처럼, 프랑스 라트에서 20억 도의 놀라운 온도를 달성하는 것은 불가능하지 않다. 참고로 그라마의 전원 공급 시스템은 샌디아의 Z기계와 마찬가지로 100나노초의 방전을 제공한다.
몇 가지 결과를 살펴보자 (바바이의 논문 참조, 온라인 접근 가능).
파란색은 '주 전류', 빨간색은 '보조 전류'.
주 전류는 발전기가 점점 증가하는 인덕턴스를 가진 코일에 방전되기 때문에 감소한다(이것은 공동의 확장과 관련 있음). 보조 전류는 처음에는 원천(커패시터가 코일에 방전)의 단순 방전과 관련된 느린 증가를 보인다. 갈라짐은 '갭'이 막히거나 크로바르가 작동하는 순간, 즉 발사 후 약 2마이크로초 후이다. 이 시점에서 빨간색 전류가 급격히 증가한다. 이는 코일의 부피가 압축되면서 감소하는 코일을 통과하는 전류이기 때문이다. 이로 인해 유도 전류 피크가 발생한다. 전류 상승 시간은 요구되는 수십 나노초와 일치한다. 실제로 이 전류 상승은 보조 링어가 붕괴하는 시간보다 짧아야 하며, 이는 선들이 운동 에너지를 얻어 축에 충돌할 때 열 에너지로 변환될 수 있도록 하기 때문이다.
이 그림은 다른 실험에서 얻은 것이다. 여기서 X선으로 방출되는 전력이 구분된다.
X선으로 방출되는 전력
노란색은 X선으로 방출되는 전력이다.
여기서 첫 번째 링어는 보라색 전류 회로가 생성한 자기압력에 의해 축 방향으로 수렴한다. 이 자기장은 백색으로 표시된 토러스형 공간 내에서 작용하며, 이 공간은 증발 중인 선형 링어의 아래쪽에 있다. 이 공간에서는 보라색과 빨간색 전류가 동시에 흐른다. 첫 번째 링어의 상류에서는 회색 영역의 자기압력이 두 번째 선형 링어(또한 증발 중)에 작용하여, 그림 상단의 링어가 축 방향으로 붕괴하게 된다. 그림 하단에서는 링어의 반지름 방향 갭이 누워 있는 선형 링어의 일부에 의해 막히며, 이로 인해 전류가 반지름 방향으로 흐를 수 있다(보라색).
바바이의 논문을 읽은 결론은 프랑스가 Z기계와 유사한 실험을 수행할 수 있는 모든 기술을 보유하고 있다는 것이다 ("우리 집에도 같은 것이 있다, 약간 작긴 하지만"). 개인적으로 나는 압축기의 구조를 수정하는 것을 제안한다. 이는 큰 링어의 붕괴를 더 안정적으로 만들 수 있다. 이 에너지를 '상단의 새장'으로 끌어들이기 위해 큰 각도의 회전을 필요로 하지 않는다. 게다가 그라마의 '이중 단계, 이중 선형 링어' 장치는 매우 교묘하다(우리 프랑스에도 러시아만큼 교묘한 사람들이 있다). 이 장치를 현재의 전류 공급 방식으로 사용하면, 약간 덜 강력한 기계를 사용해도 미국인들이 얻은 결과와 유사한 성과를 얻을 수 있을 것이다. 어쨌든, 내가 그라마에 있다면 즉시 이 시도를 할 것이다. 물론 나는 이 발견의 민간 응용에만 관심이 있지만, 첫 번째로 해야 할 일은 어떤 수단으로든, 어떤 장소에서든, 어떤 상황에서든, 작은 리튬 수소화물의 순수 핵융합을 달성하는 것이다. 그 후 "각자 자신의 삶을 산다". 민간은 이를 전기 발전기로 재구성하고, 군사적 목적은 전기 전원을 대신해 러시아식 자기화학 폭약으로 변경하여 폭탄을 제조한다. 어쨌든, 프랑스가 순수 핵융합 폭탄을 제조하기 시작하면, 그들은 유일한 국가가 아니다. 현재 미국에서 벌어지고 있는 폭발적인 분위기를 보면, 러시아와 중국, 기타 국가에서도 마찬가지일 것이다.
2006년 6월 18일
: 마티아스 바바이 장치의 개선을 위한 매우 단순한 제안. 수렴부는 명백히 날카로운 각도가 아니다. 이 장치는 수치 시뮬레이션을 통해 최적화되어야 하지만, 선형 링어 1번이 더 안정적이어야 한다고 생각된다.
교환 전 장치 상태 (수직 축을 중심으로 회전 대칭)
중앙 선형 새장 지름: 80mm. 샌디아와 동일한 구성. 스테인리스 선
교환 직후, 토러스형 전류층이 형성되며, 가장 큰 링어 1번(보라색)부터 증발하기 시작한다. 자기압력이 이 링어를 시스템의 축 방향으로 추진한다.
선형 링어 1번이 증발하기 시작한다. '껍질'이 형성되었으며, 특히 '원형 갭'에 붙어 있다. 이를 막음으로써, 두 번째 토러스형 전류층(두 선형 링어가 함께 흐르는 곳)에 대해 크로바르 작용을 한다. 자기압력은 선형 링어 1번에 계속 작용한다.
현상은 계속된다. 선형 링어 1번의 아래쪽에서 자기압력이 작용하여 두 번째 토러스형 공동이 축소되며, 이에 연결된 전류층의 전류가 증가한다. 선형 링어 2번의 전류가 강해지며, 스테인리스 선의 증발이 더욱 심화된다. '껍질'이 형성되며, 이 링어는 시스템의 축 방향으로 붕괴한다.
이 장치의 더 큰 대칭성은 중앙 선형 새장 내에서 최적의 압력과 온도 상승을 가능하게 할 것이다.
붕괴 종료 시 온도는?
그라마 기계에서 기대할 수 있는 것은 무엇인가? 전류는 제한되어 있다. Z기계의 20메가암페어 대비 250만 암페어. 영국의 마피(이마피얼 칼리지에 설치)는 140만 암페어까지 올라간다.
이러한 시설의 비용은 얼마인가? 샌디아의 Z에서 ZR로의 전환 비용은 6100만 달러였다. Z기계의 비용은 약 5000만 유로로 추정된다. ITER의 비용은 130억 유로로 계산되며, 이는 무조건 초과될 것이다. 따라서 비율은 1:260이다. LMJ(메가줄 레이저)의 비용은 25억 유로. ZR 프랑스 기계 건설 비용의 50배이다. 만약 논리적으로 접근한다면, 100나노초 내에 수십 메가암페어를 공급하는 발전기를 향해 투자를 확대해야 한다. 그라마의 ECF 설계자는 폴리테크니크 출신의 장-프랑수아 레옹이다. 2002년부터 60메가암페어에 도달할 수 있는 ECF의 후속 모델을 설계했다.
ZR, 샌디아의 Z기계 후속 모델을 살펴보자. 이 프로젝트는 2005년의 돌파 전에 설계되었으며, 37.7억 도의 온도를 달성하기 전이었다. 이는 단순히 더 강력한 X선 생성기였을 뿐이었다. Z기계는 어떻게 생겼는가?
샌디아의 Z기계
내가 URL을 잊어버린 PDF 파일은 각 '반경'에 두 개의 단위가 겹쳐져 있다고 설명한다. ZR에서는 이 단위를 세 개를 쌓아 올렸다. 전류는 18메가암페어에서 28메가암페어로 증가하여 3/2배로 증가한다.
ZR: 동일한 지름 33미터, 하지만 두 단계 대신 세 단계를 쌓아 올림.
장치는 여전히 주요 목적인 고강도 X선 조사에 의해 결정된다. 처음에는 선형 링어가 증발하여 직경 2cm, 높이 4cm의 폴리스티렌 실린더를 압축하는 것이 목표였다. 고온으로 가열된 이 실린더는 창을 통해 위로 방사선을 방출할 것으로 예상되었다. 이는 '홀라룸', '오븐'의 개념에 부합한다. 현재 상태에서 ZR은 탄두 시험용 기계이다. 이 새로운 전류로 인해 이온화 온도는 전류의 제곱에 비례해 증가하므로, 미국인들은 100억 도에 가까운 온도, 즉 초신성 중심부의 온도를 목표로 할 수 있다. 그러나 ZR을 세 단계 더 쌓아 올려 5600만 암페어까지 전류를 끌어올리는 것은 기술적으로 전혀 어렵지 않다.
논문을 제출한 후, 바바이는 그라마의 ECF 실험을 마무리하고 샌디아의 Z기계에서 추가 실험을 수행했지만, 그라마에서 연구를 계속할 기회가 없자 앨버커키의 사람들 제안을 받아 미국으로 건너가 연구를 계속했다.
독자로부터 제보된 최신의 �