De Franse Z-machine
De these van Mathias Bavay
dossier online gezet op 17 juni 2006
Deze these, uitgebreid met documentatie, is te vinden op:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Titel:
Vermindering van magnetisch flux in een sub-microseconden regime voor het bereiken van hoge druk en röntgenstraling
verdedigd op 8 juli 2002 bij de 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 close-up toont de diameter van de installatie, ongeveer 20 meter (tegen 33 meter voor de Z-machine van Sandia).
Close-up
Centrale onderdelen van de ECF-installatie van Gramat
De door Bavay bedachte opstelling, getest in Gramat en op de generator van Sandia, is zeer origineel. De Sovjet-Unie had systemen ontwikkeld voor fluxcompressie waarbij een chemisch explosief een druk uitoefende op een "liner" gemaakt van een geleidend materiaal, koper of aluminium. Deze liner implodeerde en comprimeerde hiermee een magnetisch veld dat er al was, vooraf aangebracht via een elektrische ontlading in een solenoïde met behulp van een batterij condensatoren. De in de these van Bavay ontwikkelde idee is om een draadliner te gebruiken als "piston" en de externe druk, afkomstig van chemische explosie bij magnetische accumulatie, te vervangen door een "magnetische druk". Hierbij komen twee ideeën terug:
-
Gebruik van een lichtere liner met lagere traagheid
-
Zorgen dat alle energie wordt overgedragen aan deze liner, waarbij het "magnetische gas" een "nultraagheid" heeft.
Hierdoor ontstaat een tweezijdige compressor 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!
Plasmakanon van Sakharov, aangepast
We nemen het oorspronkelijke schema terug. Een elektrische ontlading creëert een magnetisch veld in de "koker" A. Vervolgens wordt het explosief aan de linkerkant ontstoken, waardoor de koperen liner uitzet.
Het koperen kegelvormige deel 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 liner, gevuld met explosief, uit te duwen. Maar in de nieuwe opstelling voorkomen we deze uitduwing; de ring komt met grote snelheid tegen de afgesloten top van het kanon aan, 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", omdat hij tijdens het passeren verdampt en zich omzet in plasma. Ook de centrale liner ondergaat een plastische verandering.
Laten we terugkeren naar de these van Bavay. We herkennen elementen uit de hierboven getoonde opstelling, maar dan anders samengesteld. Zoals gezegd zijn beide liners "draad" en zullen ze zich omzetten in plasma. Er moet een bepaalde magnetische druk worden gecreëerd in de ruimte A voordat deze wordt afgesloten. Het aandrijf-element, het gas afkomstig van de explosie, moet worden vervangen door een magnetische druk. Zo verkrijgen we dit:
Opstelling uit de these van Mathias Bavay
Om dit beter te begrijpen zou men misschien de twee momenten op één afbeelding moeten samenvoegen. Hier is eerst de opstelling van Bavay in haar oorspronkelijke staat:
Opstelling van Mathias Bavay in haar oorspronkelijke staat
Er zijn twee elektrische ontladingen, één in paars, de "primair" 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", die eigenlijk bestaat uit een eerste groep draden. Uit de these van Bavay blijkt dat deze draden niet direct veranderen in metaalplasma bij een hoge stroomsterkte. Integendeel, ze hebben een redelijk lange levensduur, die tot 80% kan oplopen van de tijd die het "draadgordijn" nodig heeft om radiaal naar de as te bewegen. Dit is dus het geheim van het behoud van axisymmetrie in de Sandia-experimenten. Wanneer dit object implodeert, is het geen verzameling draden naast elkaar, noch een gordijn van plasma, maar een "mengsel van beide". Dit werd theoretisch uitgewerkt door Malcolm Haines, die dit "de vorming van een schaal" noemt:
Vorming van de "schaal"
Boven: draden kort na het begin van de ontlading. Ze beginnen oppervlakkig te sublimeren. Deze nog stevige draden zijn omgeven door een laag plasma. In de these van Bavay lezen we dat de draden een koud, stevig hart behouden. Ze verdampen aan hun rand en geven een plasma af van metaalatomen dat zich uitbreidt. Wanneer deze cilinders van plasma samenkomen, vormt zich de "krans". Bavay schrijft dat deze krans zich vormt wanneer 80% van de implosietijd is verstreken. Dit betekent dat gedurende die hele tijd de stroomcirculatie individueel in de draden plaatsvindt. Als MHD-instabiliteiten kunnen ontstaan in een plasma (een geïoniseerde gas), waarbij de lokale stroomdichtheid en het magnetisch veld kunnen fluctueren, is dit niet het geval bij een draadgordijn.
In zijn these lezen we dat de uitbreidingsnelheid van metaalnevel 10.000 m/s is voor wolfram en 22.000 m/s voor aluminium. De orde van grootte van de draaddiameter (van 240 draden): 10 micrometer.
Ik heb de uitbreidingsnelheid niet gevonden voor roestvrij staal. De mensen van Sandia waren erg verbaasd over de temperatuur die aan het eind van de implosie werd bereikt: 2 miljard graden. Een mogelijke verklaring zou kunnen zijn dat de uitbreidingsnelheid van staalnevel lager is, wat de vorming van de "krans" vertraagt, waarin instabiliteiten kunnen ontstaan. Aangezien het eerder werd gezegd dat de draden een "koud hart" behouden, zijn het praktisch "draden" die tegen 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 wel 1000 km/s bereiken, in plaats van honderden km per seconde. Hierdoor ontstaat een stijging van de temperatuur die te maken heeft met een ... materiaalverandering. Open vraag.
Op tijdstip tm sluiten de plasmahuiden zich aan. Zo krijgen we twee voordelen. Deze afsluiting vormt een "dichte barrière" tegen het magnetisch veld, terwijl de ongelijkmatigheid van het midden in azimutale richting de groei van MHD-instabiliteiten tegengaat en de axisymmetrie van het proces behoudt.
Laten we het schema van de these van Bavay heroverwegen, na het hebben aangepast:
Opstelling Bavay na crowbar
Bij deze ontladingen ontladen condensatoren zich in schakelingen met een bepaalde zelfinductie. Voor wie 3D kan zien hebben de twee stroomlagen, paars en rood, de vorm van de genererende lijnen van een torus. Het zijn "soorten spoelen". Wanneer het "draadplasma" naar de as is gevorderd, sluit het wat Bavay een "gap" noemt. Hierdoor wordt deze "spoel" geïsoleerd van de condensator die hem heeft geladen. We herkennen hier het thema van de crowbar dat eerder in dit dossier werd besproken. De rode stroom gaat verder "omcirkelen" en zou natuurlijk zijn intensiteit verliezen door Joule-verwarming (ontlading van een spoel in een weerstand die eigenlijk uit zichzelf bestaat).
In paars
Jprim
betekent "primair stroom". Deze stroom creëert een magnetisch veld, waarvan de krachtlijnen niet zijn weergegeven maar azimutaal zijn. Dit veld is gelijk aan magnetische druk en deze werkt op de eerste liner, die altijd een cilindrische vorm heeft. Het volume waarin het magnetisch veld wordt aangemaakt door de rode stroom zal afnemen. Om fluxbehoud te waarborgen zal het magnetisch veld toenemen, evenals de stroom (rood), waarom deze benaming
Jamp
("versterkte stroom"). Deze magnetische druk werkt op de tweede "draadliner" bovenaan de afbeelding, die dezelfde rol speelt als de aluminiumring in ons "afgesloten plasmakanon". Deze tweede liner zal ook een oneffen gordijn vormen, gemaakt van metalen draden verbonden door een atmosfeer van verdampt metaal. En alles convergeert zachtjes naar de as. Alles hangt af van de waarden van de experimentele parameters. We hebben dus ook een "kooi" bovenaan de afbeelding met een bepaalde oorspronkelijke diameter. De stroom die deze kooi doet, is minder intens dan in het Sandia-experiment: 2,5 miljoen ampère in plaats van 20. Deze kooi is ook kleiner. Haar implosie leidt tot enkele miljoenen graden en in dat opzicht houdt het systeem zijn belofte in door een röntgenstralinggenerator te worden. Maar als het apparaat zou kunnen worden gebruikt om een grotere kooi, van 8 cm diameter, te laten imploderen en de stroom zou kunnen worden verhoogd tot 20 miljoen ampère, zien we niet waarom deze fantastische temperatuur van 2 miljard graden niet in het Lot, Frankrijk, zou kunnen worden bereikt. We moeten benadrukken dat de voedingssysteem van Gramat ontladingen van 100 nanoseconden levert, net als de Z-machine van Sandia.
Laten we nu enkele resultaten bekijken (zie de these van Bavay, online beschikbaar).
In blauw: "primair stroom", in rood: "secundair stroom".
De primair stroom neemt af omdat de generator ontladen in een spoel met toenemende waarde (dit is gerelateerd aan de uitbreiding van de holte). De secundaire stroom neemt eerst langzaam toe, veroorzaakt door de eenvoudige ontlading van de bron (condensator ontladen in een spoel). De knik komt overeen met het moment waarop de "gap" wordt afgesloten, of de crowbar werkt, iets meer dan twee microseconden na het begin van het schot. Op dat moment springt de rode stroom omhoog, omdat het een stroom is die circuleert in een spoel die afneemt door het inkrimpen van deze toroïdale holte. We krijgen een piek van geïnduceerde stroom. De opstijging van de stroom komt overeen met wat nodig is: honderden nanoseconden. Het is inderdaad noodzakelijk dat deze stroomopstijging plaatsvindt binnen een tijd die korter is dan de tijd die de tweede liner nodig heeft om te imploderen, zodat de draden kinetische energie kunnen opnemen, die wordt omgezet in thermische beweging bij het botsen tegen de as.
Deze afbeelding is afkomstig uit een ander schot. Hier is de uitgezonden straling in de vorm van röntgenstraling zichtbaar.
Uitgezonden straling in de vorm van röntgenstraling
In geel: uitgezonden straling in de vorm van röntgenstraling.
Hier is de eerste liner naar de as toe geconvergeerd, geduwd door de magnetische druk die overeenkomt met de paarse stroomkring in een toroïdale ruimte (wit gekleurd), achter de in verdamping verkerende draadliner waarin zowel de paarse als de rode stromen lopen. Voor de eerste liner is er een tegen-druk van magnetisch veld (grijze ruimte) die begint te werken op de tweede draadliner, ook in verdamping, en dit veroorzaakt in het bovenste gedeelte een implosie naar de as van de machine. Onderaan is de ringvormige gap afgesloten door een deel van de draadliner die plat ligt en hier een radiale (paarse) stroomcirculatie mogelijk maakt.
De conclusie van het lezen van de these van Bavay is dat de Fransen alle kennis en vaardigheden bezitten om een experiment te bouwen zoals de Z-machine (we hebben hetzelfde thuis, iets kleiner). Persoonlijk zou ik voorstellen om de compressor aan te passen, wat het voordeel heeft dat de implosie van de "grote liner" stabielere is. Het is niet nodig om die grote bocht te maken om die energie naar "die kooi in de hoogte" te sturen. Bovendien zou de opstelling van Gramat met twee niveaus en twee draadliners, uiterst slim bedacht (wij hebben in Frankrijk net zo slimme mensen als de Russen), mogelijk toelaten om met de huidige stroombron hetzelfde resultaat te bereiken als de Amerikanen, zelfs met een iets minder krachtige machine. In elk geval, als ik in Gramat zou zijn, zou ik dit onmiddellijk proberen. Hoewel ik uiteraard alleen geïnteresseerd ben in civiele toepassingen van deze ontdekking, is het eerste wat moet gebeuren om de "reine" fusie van een kleine hoeveelheid lithiumhydride te bereiken, op welke manier dan ook en waar dan ook, in welke context dan ook. Daarna "leven elk hun eigen leven". De burgers herconfigureren het experiment om een elektrische generator te maken en de militairen maken bommen door de oorspronkelijk elektrische stroombron te vervangen door een magnetisch pyrotechnische bron, zoals in Rusland. In elk geval, als de Fransen zouden beginnen met het maken van zuivere fusiebommen, wat onvermijdelijk zou zijn, zouden ze niet de enigen zijn. We hebben gezien hoe hevig het is in de VS op dit moment. Men zou hetzelfde vinden in Rusland en China, misschien elders.
18 juni 2006
: Een suggestie, zeer schematisch, voor verbetering van de opstelling van Mathias Bavay. De convergent zou natuurlijk niet scherp zijn. Het apparaat zou moeten worden geoptimaliseerd met behulp van numerieke simulaties, maar het lijkt me dat de draadliner nummer 1 stabielere zou moeten zijn.
Opstelling voor schakeling (rotatie-symmetrie rond een verticale as).
Diameter van de centrale draadkooi: 80 mm. Dezelfde opstelling als in Sandia. Draad uit roestvrij staal.
Direct na schakeling ontstaan de toroïdale stroomlagen, waarbij de draadliners beginnen te verdampen,
vooral de grote liner nummer 1 (paars). De magnetische druk duwt deze naar de as van het systeem.
De eerste draadliner begint te verdampen. De "schaal" is gevormd en komt vooral in aanraking met de circulaire gap. Door deze afsluiting werkt het als een crowbar ten opzichte van de stroomlaag die circuleert in de tweede toroïdale laag, waarin beide draadliners zitten. De magnetische druk blijft duwen op de liner nummer 1.
Het proces gaat door. De afname van de tweede toroïdale ruimte, onder invloed van de magnetische druk achter de liner nummer 1, veroorzaakt een stijging van de stroom in de bijbehorende toroïdale stroomlaag. De stroom in de draadliner nummer 2 neemt toe, wat de verdamping van de roestvrij staaldraden versterkt. De schaal vormt zich. Deze liner implodeert naar de as van het systeem.
De grotere symmetrie van deze opstelling zou moeten leiden tot een optimale stijging van druk en temperatuur in de centrale draadkooi.
Temperatuur aan het eind van de implosie?
Wat kunnen we verwachten van de machine van Gramat? De stroomsterkte blijft beperkt. Twee en een half miljoen ampère in plaats van 20 voor de Z-machine. In Engeland bereikt Magpie, geplaatst aan het Imperial College, 1,4 MA.
Wat zou de kosten van dit soort installatie kunnen zijn? De overgang van Z naar ZR bij Sandia kostte 61 miljoen dollar. De kosten van een Z-machine kunnen worden geschat op 50 miljoen euro. De kosten van ITER zijn geschat op dertien miljard euro (en dat zal zeker overschreden worden), dus het verhoudingsgetal is één op tweehonderdzesentwintig. De kosten van de LMJ, de Megajoule-laser: 2,5 miljard euro. Dat is 50 keer de kosten van de bouw van een Franse "ZR". Als we logisch zouden zijn, zouden we de "vuren" op het gebied van deze generators die tientallen miljoen ampère leveren in 100 nanoseconden. De ontwerper van de ECF van Gramat is de polytechnicus Jean-François Léon. Al in 2002 had hij plannen opgesteld voor een opvolger van ECF die 60 mega-ampère zou kunnen bereiken.
Een blik op ZR, de opvolger van de Z-machine, bij Sandia. Het project werd ontworpen voordat de doorbraak van 2005 plaatsvond, voordat de 3,77 miljard graden werden bereikt. Het moest gewoon "een iets krachtigere röntgenstralinggenerator" zijn. Hoe ziet de Z-machine eruit?
De Z-machine van Sandia
Het pdf, waarvan ik de URL ben vergeten, geeft aan dat twee eenheden in elk "straal" zijn samengevoegd. Bij ZR zijn er drie van deze niveaus op elkaar gestapeld. De stroomsterkte stijgt dus van 18 naar 28 mega-ampère, wat betekent dat deze met een factor 3/2 is vermenigvuldigd.
ZR: Dezelfde diameter: 33 meter, maar drie niveaus op elkaar in plaats van twee.
De opstelling blijft gedomineerd door haar oorspronkelijke doel: de warvogels blootstellen aan sterke röntgenstraling. We moeten ons herinneren dat oorspronkelijk de draadliner bedoeld was om te verdampen en een doelwit te comprimeren dat bestond uit een cilinder van polystyreen van 2 cm diameter en 4 cm hoog. Bij hoge temperatuur zou dit doelwit zijn straling naar boven uitzenden, door een venster heen. We zijn in de optiek van het "holraum", de "oven". Zo is ZR nu een machine om warvogels te testen. Met deze nieuwe stroomsterkte, aangezien de geïoniseerde temperatuur evenredig is met het kwadraat van de stroomsterkte, kunnen de Amerikanen hopen te kruisen met tien miljard graden, de temperatuur in het hart van een supernova. Maar er is geen technische moeilijkheid om ZR te verdubbelen door drie extra niveaus erbovenop te stapelen, wat de stroomsterkte zou verhogen tot 56 miljoen ampère.
Zodra zijn these was verdedigd, voerde Bavay na het voltooien van zijn experimenten op de ECF van Gramat met experimenten op de Z-machine van Sandia, geen perspectief meer voor voortzetting van zijn werk in Gramat, accepteerde hij de aanbiedingen van mensen uit Albuquerque en vertrok naar de Verenigde Staten om zijn onderzoek daar voort te zetten.
Gemeld door een lezer, een goed artikel, recent, op Wikipedia
http://fr.wikipedia.org/wiki/Z_machine
