Proefschrift van Mathias Bavay over de Franse Z-machine
De Franse Z-machine
Het proefschrift van Mathias Bavay
dossier online gezet op 17 juni 2006
U vindt dit proefschrift, uitgebreid met documentatie, op:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Titel:
Compressie van magnetische stroom in een sub-microseconden regime voor het bereiken van hoge druk en röntgenstraling
verdedigd op 8 juli 2002 bij het CEG (Centrum voor Militaire Experimentatie van Gramat, Lot).
De generator van Gramat (zie afbeeldingen hierboven) levert stroompulsen van 2,5 miljoen ampère, met een duur van 800 nanoseconden.
Elektrische ECF-generator van Gramat
Een vergroot beeld toont de diameter van de installatie, ongeveer 20 meter (in tegenstelling tot de 33 meter van de Z-machine van Sandia).
Vergroot beeld
Centrale unit van de ECF-installatie van Gramat
De door Bavay bedachte opstelling, getest in Gramat en op de generator van Sandia, is zeer origineel. De Sovjets hadden systemen ontwikkeld voor fluxcompressie waarbij een chemisch explosief een druk uitoefende op een "liner" van een geleidende stof, koper of aluminium. Deze liner imploseerde, waardoor een magnetisch veld dat er vooraf was aangebracht, werd samengedrukt. Dat veld werd aangebracht via een elektrische ontlading in een solenoïde, aangedreven door een batterij condensatoren. De ideeën in het proefschrift van Bavay hadden tot doel een draadliner te gebruiken als "piston" en de externe druk, afkomstig van een chemische explosie in de magneto-cumulatiecompressoren, te vervangen door een "magnetische druk". Hierbij komen twee ideeën terug:
- Gebruik van een lichtere, minder traagheidsrijke liner - Zorg ervoor dat alle energie aan deze liner wordt overgedragen, waarbij het "magnetische gas" een "nultraagheid" heeft.
Hierdoor ontstaat een tweestapscompressor met ... twee liners, een grote en een kleine. Dit is in grote lijnen wat men zou hebben verkregen met het plasmakanon van Sakharov als men dat kanon had ... afgesloten!
Gewijzigd plasmakanon van Sakharov
We nemen het oorspronkelijke schema over. Een elektrische ontlading creëert een magnetisch veld in de "koker" A. Vervolgens wordt het explosief aan de linkerkant afgestoken, waardoor de koperen liner uitdijt.
De koperen kegel sluit de koker af en gevangen het magnetisch veld, dat "gecomprimeerd" wordt en probeert de aluminiumring in de ruimte tussen het koperen kanon en de centrale, met explosief gevulde liner te verdrijven. In de nieuwe opstelling wordt echter voorkomen dat deze ring wordt uitgestoten; deze komt met hoge snelheid in botsing met de afgesloten uiteinde van het kanon, waardoor hoge druk ontstaat. Natuurlijk is er vacuüm tussen de koperen ring en de afsluiting aan de rechterkant, grijs van kleur. De aluminiumring fungeert als tweede "liner" en verandert tijdens het passeren in plasma. De centrale liner ondergaat ook een plastische verandering.
Laten we terugkeren naar het proefschrift van Bavay. We herkennen elementen van de hierboven getoonde opstelling, maar op een andere manier samengesteld. Zoals gezegd zijn de twee liners "draad" en zullen ze beide in plasma veranderen. Er moet een bepaalde magnetische druk in de ruimte A worden opgebouwd voordat deze wordt afgesloten. Het aandrijfmedium, het gas afkomstig van de explosie, moet worden vervangen door een magnetische druk. Zo krijgen we dit:
Opstelling uit het proefschrift van Mathias Bavay
Om dit beter te begrijpen zou het misschien nuttig zijn om de twee momenten hierboven op één afbeelding te combineren. Hier is eerst de opstelling van Bavay in haar oorspronkelijke staat:
Opstelling van Mathias Bavay in oorspronkelijke staat
Er zijn twee elektrische ontladingen, één in paars, de "primaire ontlading", en één in rood, de "secundaire ontlading". Deze twee ontladingen creëren een magnetisch veld binnen twee coaxiale, toroïdale holtes. Er is een cilindrische "liner" zichtbaar, die in feite bestaat uit een eerste groep draad. Uit het proefschrift van Bavay blijkt dat deze draad, wanneer door een grote stroom wordt doorgestroomd, niet direct in metaalplasma verandert. Integendeel, ze hebben een vrij lange levensduur, die kan oplopen tot 80% van de tijd die het "draadgordijn" nodig heeft om radiaal naar de as toe te bewegen. Dit is het geheim van de behoud van asymmetrie in de Sandia-experimenten. Wanneer dit object imploseert, is het geen verzameling draad naast elkaar, noch een plasmagordijn, maar een "mengsel van beide". Dit is theoretisch uitgewerkt door Malcolm Haines, die dit "vorming van een schaal" noemt:
Vorming van de "schaal"
Boven: de draad enkele ogenblikken na het starten van de ontlading. Ze beginnen oppervlakkig te sublimeren. De nog stevige draad is omgeven door een laag metaalplasma. In het proefschrift van Bavay leest men dat de draad een koud, stevig hart behoudt. Ze verdampen aan de rand, waarbij metaalatomen worden uitgezonden die een plasma vormen dat zich uitbreidt. Wanneer deze plasma-cylinders samenkomen, vormt zich de "kroon". Bavay schrijft dat deze kroon zich vormt wanneer 80% van de implosietijd is verstreken. Dit betekent dat gedurende deze hele periode de stroomstromen individueel door de draad lopen. Als MHD-onstabiliteiten kunnen ontstaan in een plasma (een geïoniseerd gas) waarin de lokale stroomdichtheid kan fluctueren, net als de sterkte van het magnetisch veld, dan is dit niet het geval bij een draadgordijn.
Uit het proefschrift blijkt dat de uitbreidingsnelheid van het metaalnevel 10.000 m/s is voor wolfram en 22.000 m/s voor aluminium. De orde van grootte van de draaddiameter (240 draadjes): 10 micron.
Ik heb de uitbreidingsnelheid voor roestvrij staal niet gevonden. De mensen van Sandia waren erg verbaasd over de temperatuur die aan het einde van de implosie werd bereikt: 2 miljard graden. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de uitbreidingsnelheid van het roestvrij staalnevel lager is, wat de vorming van de "kroon" uitstelt, waarin onstabiliteiten kunnen ontstaan. Aangezien het eerder is vermeld dat de draad een "koud hart" behoudt, zijn het praktisch "draadjes" die op de as botsen, terwijl het plasmakoord pas in de allerlaatste momenten van de implosie wordt gevormd. Zo kan de radiale snelheid op het moment van impact oplopen tot 1000 km/s, in plaats van enkele honderden km/s. Hierdoor komt de temperatuurstijging voort uit een ... materiaalwisseling. Open vraag.
Op tijdstip tm sluiten de plasmahuiden zich. Hierdoor wordt op twee manieren gewonnen. Deze afsluiting zorgt voor een "dichte barrière" tegen het magnetisch veld, terwijl de niet-uniformiteit in azimutale richting de groei van MHD-onstabiliteiten tegengaat en de asymmetrie van het proces behoudt.
Laten we het schema van het proefschrift van Bavay heroverwegen, na het herwerken:
Opstelling Bavay na crowbar
Bij deze ontlading ontladen condensatoren zich in een circuit met inductantie. Voor degene die in 3D kan zien, hebben de twee violette en rode stroomlagen de vorm van genererende lijnen van een torus. Het zijn "soorten spoelen". Wanneer het "draadplasma-gordijn" zich naar de as heeft bewogen, sluit het wat