Máquina Z e LTD
A máquina Z francesa Sphinx
por Julien Geffray
21 de maio de 2007
A atividade e a atualidade retomam em torno da fusão nuclear graças à máquina Z, pelo menos nos Estados Unidos. Para a máquina Z francesa Sphinx, é outra coisa, pois a DGA realmente bloqueou tudo, como você pode constatar lendo este artigo publicado no jornal Les Echos do dia 16 de maio de 2007 :
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Les Echos
de 16 de maio de 2007
Competências
NUCLEAR
A máquina Z francesa desiste da energia
Pequeno "Sphinx".
No meio do Quercy, no Centro de Estudos de Gramat (CEG), a DGA explora desde alguns anos uma pequena máquina Z francesa (2,5 milhões de ampères), batizada de "Sphinx". Como sua irmã mais velha americana, ela serve principalmente para testar a resistência das cabeças nucleares.
Ao contrário dela, ela não conhecerá experimentações civis. Há alguns anos, os pesquisadores de Gramat haviam lançado algumas propostas à sua tutela militar para diversificar seus estudos, sem sucesso.
Interrogado pelo "Les Echos", o muito "feroz" CEG afirma hoje não ter nenhum projeto energético.
Essa timidez em investimento preocupa os especialistas em estricção.
As competências francesas nesse gênero de eletricidade de potência estão ameaçadas, diz um deles.
Na Grã-Bretanha, uma máquina equivalente, a Magpie do Imperial College (1,4 milhão de ampères), trabalha ativamente na estricção magnética, especialmente com fundos americanos. Não é potente o suficiente para atingir os objetivos da máquina Z, mas é usada pelos americanos para completar suas pesquisas sobre a estricção em si. Os russos também estão prestes a investir nesse tema de pesquisa.
Nota: "Estricção" é a tradução francesa de "pinch", que significa "apertar". Assim, a máquina Z entra na classe das máquinas de plasma chamadas "Z-pinch", onde o plasma é "apertado" segundo o eixo de simetria OZ do sistema. Todos os Z-pinch também são máquinas MHD, disciplina em que a França estava muito à frente há ... trinta anos e que foi completamente e deliberadamente abandonada no meio dos anos 70. Nessa ausência de reação dos serviços oficiais também entra uma boa parte de incompreensão, de simples incompetência. A MHD militar, por exemplo, permanece totalmente inexistente na França, enquanto nos Estados Unidos, na Rússia e em outros países ela ... corre. Poderíamos resumir isso com uma simples frase:
Enquanto em outros países eles andam com o pé no acelerador, os franceses estão parados nos freios
Outra observação: Alain Juppé foi nomeado "ministro do meio ambiente". Nesse sentido, recentemente foram convidados muitos representantes de associações voltadas para a preservação do meio ambiente. Mas isso é indissociável de uma ação energética em favor de novas fontes de energia. E aí, ausência total. Ausência de motivação, mas também de informação e ... de competências. Mas voltemos ao assunto do artigo.
Nos Estados Unidos, a notícia sobre os novos geradores LTD de última geração é fascinante e os progressos são mais rápidos do que o esperado. Os laboratórios Sandia publicaram um comunicado de imprensa em 24 de abril de 2007 intitulado:
Rapid-fire pulse brings Sandia Z method closer to goal of high-yield fusion reactor (Pulsos ultra-rápidos aproximam um pouco mais a máquina Z de um reator de fusão de alto rendimento)
O artigo, traduzido integralmente um pouco mais abaixo nesta página, descreve um gerador denominado LTD (para Linear Transformer Driver) que poderia ser traduzido como "interruptor de transformador linear" que deveria permitir uma fusão nuclear controlada realmente utilizável na máquina Z. O LTD tornaria a máquina Z mais compacta e menos complexa, tornando obsoletos o grande tanque isolante de água e óleo, bem como as "linhas de água" que eram necessárias para modular o pulso no tempo. Ele permitirá especialmente realizar tiros repetitivos na frequência de 0,1 Hertz, onde a máquina Z atual não pode realizar mais do que um tiro por dia! Os geradores LTD não constituem realmente uma surpresa, pois a máquina Z francesa Sphinx já está equipada com eles há muito tempo. A novidade vem aqui das performances alcançadas pelos russos com seu último modelo LTDZ:
Gerador LTDZ russo de 100 GW: 1 milhão de ampères e 100 kV
Diâmetro: 3 metros - Profundidade: 22 centímetros
Explicando simplesmente o gerador LTD: é um conjunto composto de "tijolos", cada um com o tamanho de uma caixa de sapatos contendo dois capacitores e um interruptor. Interligados em paralelo e dispostos em círculo na versão que nos interessa, 40 desses "tijolos" formam uma única "cavidade" toroidal.
Esquema de corte de um "tijolo" que compõe o LTDZ
1: dois capacitores GA 31165 (100 kV, 40 nF), 2: interruptor HCEI multi gap, 3: bocal de saída, 4: núcleo magnético, 5: isolante, 6: cavidade de vácuo ou óleo, 7: cavidade de carga, 8: hastes de caprolactona
Essa versão russa, a mais elaborada atualmente, é testada no High Current Electronics Institute (HCEI) de Tomsk na Sibéria, onde os laboratórios Sandia acabaram de adquirir quatro. Observe o aproximação americano-russa sobre a fusão por Z-pinch ... Esse LTD russo, o mais potente do mundo (100 gigawatts), é capaz de entregar 1 milhão de ampères a 100.000 volts, em um pulso durando naturalmente 100 nanossegundos (ou seja, sem necessidade de comprimi-lo). Ele também foi projetado para disparar a cada 10 segundos! Agora, essa é exatamente a frequência definida para uma futura central de fusão nuclear por estricção magnética operacional, que funcionaria literalmente como um "motor de dois tempos de fusão" (compressão, expansão).
O conceito parece confiável. A versão anterior desse LTD, idêntica, mas duas vezes menos potente (20 tijolos gerando 0,5 milhão de ampères a 100.000 volts) já foi validada pelos laboratórios Sandia após um ciclo de mais de 11.000 tiros. Em Tomsk, um interruptor disparou mais de 37.000 vezes a cada 12 segundos.
Como essas cavidades são modulares, a Sandia pretende empilhá-las como bolos em um bastão e, em seguida, multiplicar esses bastões. Assim, haveria 70 módulos cilíndricos dispostos radialmente, cada um contendo 70 LTD empilhados coaxialmente. A eficiência dessa configuração é inabalável:
- Em cada módulo, com cerca de vinte metros de comprimento, os 70 LTD internos estão conectados em série para somar suas tensões. Cada módulo produziria, portanto, uma corrente de 1 milhão de ampères e uma tensão de 7 milhões de volts.
- Os 70 módulos seriam então conectados em paralelo para somar, dessa vez, suas correntes, resultando finalmente em uma máquina que fornece 70 milhões de ampères sob 7 milhões de volts.
Projeto Sandia "IFE driver" de 104 metros de diâmetro.
70 milhões de ampères, 7 milhões de volts, 490 terawatts teóricos. 70 módulos de 70 LTD cada um representando um total de 392.000 capacitores.
Considerando as perdas inevitáveis, entre outras, ao longo dos condutores MITL (Magnetically Insulated Transmission Line), a Sandia estima 60 milhões de ampères a 6 milhões de volts utilizáveis. Isso representaria uma potência antes da injeção na alvo de 360 terawatts.
Essa bancada de teste seria disposta horizontalmente, segundo um plano como indicado no esquema. Os russos do Instituto Kurchatov sugeriram também empilhar esses módulos verticalmente. Pode-se até imaginar uma simetria esférica. Como diz um dos cientistas trabalhando no assunto: é um pouco como brincar de Meccano...
Esquema do montagem LTD
É ... russo, simplesmente. Uma ideia simples. A evolução é considerável. Como diz no texto da Sandia (que repete o que sempre disse há muito tempo. Minha primeira evocação do "dois tempos de fusão", com compressor MHD, está disponível em Science et Vie em 1975, acredito) é a via da fusão pulsada, por compressão. O "motor de explosão" contra a máquina a vapor do terceiro milênio: ITER.
Se voltarmos ao número de janeiro de 1979 da Pour la Science, encontraremos a máquina Z em sua forma inicial, construída na Sandia por Yonas. A potência já era considerável, mas faltava a focalização. Gerald me disse em voz alta em 76, quando o encontrei na Sandia: "conseguimos concentrar em um volume do tamanho de um ovo de pombos, mas não conseguimos fazer melhor". A evolução essencial foi "a gaiola de serins", o famoso "liner de fio" que permitiu uma focalização que ninguém havia imaginado. Concentramos 240 fios de aço inoxidável, dispostos segundo um cilindro de 8 cm de diâmetro segundo um cordão de plasma de 1,5 mm de diâmetro. E eis que veio o aumento de temperatura, bingo! Quanto ao resto, é eletrônica de potência, desde muito tempo. É preciso acrescentar a engenhosa estratégia dos russos, prontos para reduzir os preços. Eles não demoraram a pegar a bola, compreendendo o que a manipulação de 2005 com seus 3,5 bilhões de graus continha. Sabendo muito bem que não se trata de uma limitação. É 35 vezes a temperatura alcançada no JET de Culham, cujo Iter deve ser o caro sucessor. É sete vezes a temperatura que reina no núcleo de uma bomba de hidrogênio, 175 vezes a temperatura que reina no núcleo do sol.
Pessoas dizem e escrevem "Nós nos impressionamos em destacar que as condições de fusão ainda não foram atingidas com esses Z-pinches (enquanto com os Tokamak ...). Que comecem por demonstrar a possibilidade de obter reações de fusão com este método..."
Fazer a demonstração? Como? Onde? Com que dinheiro? Quais pesquisadores? ....
Isso acontecerá, mas não aqui.
No ritmo em que as coisas estão indo, ou seja, a ... uma velocidade absurda, exceto na França, onde dormem com os dois ouvidos, como sempre, a via pulsada dará suas reações de fusão antes que o primeiro golpe de pico seja dado para este projeto faraônico. Lembra-se que a decisão de lançar-se nisso foi tomada pessoalmente por um grande cientista francês, bem conhecido: o professor Jacques Chirac. Sarkozy ousará parar este dinossauro no início, este "plano social em escala de uma região". Com esses últimos avanços, mereceria reflexão.
Os dois mandatos de Chirac são realmente ... política no estado puro. Como surfar na opinião, como ser reeleito, como manipular tal ou tal grupo. E você quer que eu faça uma previsão? Chirac se reposicionará como grande defensor do planeta, do meio ambiente. Ele vai jogar as ovelhas do Capitólio, agora que não é mais o locatário. Lembra-se da época em que Hulot o visitava regularmente, penetrando na coura do Eliseu com seu scooter. Jacquot fazia grandes discursos ... fora do hexágono. Ele encontrará um lugar, algum lugar, para dar aulas de ecomoral.
Apostamos?
Meus leitores me dizem "por que não contactar Juppé? e a nova ministra da pesquisa, Valérie Pécresse?"
Eu, encontro quem quiser, amanhã. Mas durante um ano, corremos atrás de políticos de todos os lados, em vão. Pensávamos que com as eleições teríamos mais sorte. Erro. Ao procurar Hulot (e até mesmo Hubert Reeves, seu conselheiro científico): completo fracasso. Muitos não entenderam ... estritamente nada, eles e seu entorno técnico-científico. Bayrou abriu os olhos. O estado-maior da campanha de Ségolène Royal nos sugeriu ler seu blog. Etc....
De qualquer forma, temos uma coisa, uma carta em mãos, desde o início de 2007: uma carta de um "óleo" russo, responsável pela fusão no Instituto Kurtchatov, cheio de distinções científicas, títulos, membro da academia das ciências. Esta carta, ele a escreveu. Está à nossa disposição. Ela defende o desenvolvimento dos Z-pinches. Mas, como já disse, não temos ... destinatário! Não podemos colocar este documento em um blog da internet. Se alguém do entorno de Valérie Pécresse se manifestar (ou ela mesma, quem sabe?), o russo assina e envia.
Os últimos resultados experimentais dos geradores russos LTDZ serão apresentados nos congressos internacionais de 2007 (International Pulsed Power Conference e Symposium on Fusion Engineering) em Albuquerque no Novo México, de 17 a 21 de junho próximo. O leitor interessado pode já ler um relatório popular dos laboratórios Sandia de setembro de 2006 que apresenta este conceito dos LTD acoplados à máquina Saturn. Esta é certamente menos potente, mas o conteúdo deste documento é diretamente transponível para a Z-machine. Leia também o artigo científico russo relativo a estes geradores de última geração, apresentado no último congresso internacional: 100 GW Fast LTD Stage.
Aqui está traduzido para o francês o artigo publicado no site oficial dos laboratórios Sandia em 24 de abril de 2007:
http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2007/rapid-fire-pulse.html
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Link para o artigo original :
24 de abril de 2007 Pulsos ultra-rápidos aproximam um pouco mais a máquina Z de um reator de fusão de alto rendimento Um circuito revolucionário capaz de disparar milhares de tiros sem falhar Em Sibéria e não na Zona 51: O pesquisador da Sandia Bill Fowler testa os circuitos de um gerador LTD capaz de produzir pulsos elétricos muito fortes de forma rápida e repetida. (Foto por Randy Montoya) ALBUQUERQUE, NM — Um circuito elétrico capaz de fornecer potência suficiente para finalmente atingir a fusão nuclear controlada com alto rendimento e, o que é igualmente importante, fazer isso todas as 10 segundos, foi testado intensivamente em experimentos preliminares e simulações computacionais nos laboratórios Sandia que abrigam a máquina Z.
A máquina Z, quando acionada, é hoje o maior produtor de raios X na Terra, e já foi capaz de gerar nêutrons de fusão. Mas tiros repetidos são necessários para as futuras centrais operacionais para poder produzir eletricidade a partir da água do mar. Isso não era considerado viável até agora.
Sandia é um laboratório da National Nuclear Security Administration .
Como funciona?
Um motor de explosão que acende apenas um cilindro e depois espera horas antes de recomeçar não levaria o carro muito longe.
Da mesma forma, uma máquina que deveria fornecer energia elétrica ilimitada à humanidade, a partir de água do mar abundante e barata, não poderia se contentar em disparar apenas uma vez e depois ficar parada o resto do dia. Ela deve fornecer energia para fundir grãos de hidrogênio a cada 10 segundos, e manter essa frequência durante milhões de tiros entre cada manutenção — um tipo de motor de combustão interna para fusão nuclear. É pelo menos o método de fusão recomendado na máquina Z nos Laboratórios Sandia e em outros lugares, sob a denominação "fusão por confinamento inercial".
Os cientistas da Sandia Dillon McDaniel (segundo da esquerda) e Steve Glover (à direita) examinam na Sibéria, juntamente com Alexandar Kim (HCEI, Tomsk, Rússia), um LTD de 500 kA antes de seu envio para a Sandia (a pessoa à esquerda é o intérprete da Sandia Roman Kahn). Esse LTD está sendo testado na Sandia há dois anos e meio.
Incapaz de produzir fusão, exceto de forma esporádica, esse método foi eclipsado pela técnica chamada "fusão por confinamento magnético" — que usa um campo magnético para tentar aprisionar reações contínuas de fusão, a partir das quais se deve extrair energia.
No entanto, o circuito elétrico emergente na borda da tecnologia pode mudar o equilíbrio entre os dois sistemas. Considerado já "revolucionário" mesmo pelos pesquisadores normalmente conservadores, ele pode bem compensar o aparente atraso do primeiro método em relação ao segundo.
O gerador é capaz de disparar a cada 10,2 segundos em breves e poderosas explosões de eletricidade.
"É o progresso mais significativo na pesquisa de produção de eletricidade nas últimas décadas", afirma Keith Matzen, diretor do Pulsed Power Center da Sandia.
O novo sistema, chamado Linear Transformer Driver (LTD), foi criado pelos pesquisadores do Instituto de Altas Intensidades de Tomsk na Rússia, em colaboração com pesquisadores americanos da Sandia.
Rick Stulen, vice-presidente da Fundação para a Ciência, Tecnologia e Pesquisa da Sandia, afirma que "esta nova tecnologia não representa apenas um notável avanço técnico, mas também é a demonstração do forte compromisso dos cientistas e engenheiros da Sandia com a comunidade internacional." O caminho real para a fusão nuclear O circuito — um interruptor estreitamente acoplado a dois capacitores — tem aproximadamente o tamanho de uma caixa de sapatos e é apelidado de "tijolo". Quando vários tijolos são colocados juntos em grupos de 20 e conectados eletricamente em paralelo em um recipiente circular semelhante a um grande, a cavidade obtida pode transmitir meio milhão de ampères a 100 quilovolts.
Uma tal cavidade foi testada na Zona 4 da Sandia, onde foi disparada repetidamente sem falhas mais de 11.000 vezes.
Boris Kovalchuk (HCEI, de terno cinza) mostra os planos de um novo dispositivo LTD ao pesquisador da Sandia Dillion McDaniel, diante de Alexandar Kim (a pessoa à direita não está identificada) Como essas cavidades são modulares, elas podem ser empilhadas como donuts em uma haste metálica chamada "vara". Dispostas em uma configuração adequada, elas poderiam disparar 60 milhões de ampères e 6 milhões de volts, o suficiente (teoricamente) para gerar uma fusão nuclear de alto rendimento com todos os parâmetros necessários para conceber uma verdadeira central elétrica.
"É uma revolução" diz Craig Olson, cientista de alto nível e chefe do programa "Energia de fusão inercial por potência pulsada" na Sandia.
O modelo de nova geração, atualmente testado em Tomsk, transmite 1 milhão de ampères à mesma tensão e com a mesma rapidez. Cinco unidades foram construídas; quatro foram adquiridas pela Sandia, e uma pela Universidade do Michigan. Cada uma custa 160.000 $. Elas também, segundo o cientista da Sandia Mike Mazarakis, que supervisionou os testes no local siberiano, funcionam conforme o esperado sem imperfeições.
"É um feito incrível" diz o vice-presidente da Sandia Gerry Yonas, um especialista da máquina Z e do Grupo de Conceitos Avançados da Sandia.
Vantagens da nova tecnologia Felizmente para os contadores da Sandia, mas infelizmente para os fãs da famosa foto cheia de arcos elétricos e centelhas tirada pelo fotógrafo oficial da máquina Z, Randy Montoya, o novo interruptor torna obsoleto o grande tanque isolante cheio de centenas de milhares de litros de água e óleo, atualmente parte integrante da estrutura da máquina Z. Foi acima da superfície do líquido que surgiram os arcos elétricos característicos, fenômeno tanto apreciado por suas qualidades artísticas quanto odiado pelos engenheiros por causa da energia desperdiçada que representa. Também obsoleto o complexo conjunto de interruptores de potência, que era necessário para reduzir a impulso inicial de algumas microsegundos para nanossegundos.
O gerador LTD produz seu impulso diretamente na classe de 100 nanossegundos. Isso funciona bem graças à sua concepção que drasticamente reduz a indutância, que normalmente atrasa a transmissão da eletricidade.
Dillon McDaniel examina os isolantes que ficam entre as camadas dos capacitores dos LTD de 250, 500 e 1000 quilampères.
Ele o faz em parte eliminando as grandes placas e os longos cabos da máquina Z atual, que geram todos campos magnéticos. No novo sistema, cada tijolo quase não tem fio. Dois capacitores do tamanho de pequenas garrafas térmicas estão estreitamente conectados a um interruptor do tamanho de um tupperware. Isso deixa poucas oportunidades para os campos magnéticos retardadores se manifestarem.
Além disso, a conexão dos tijolos em paralelo em uma cavidade não apenas adiciona suas correntes, mas reduz ainda mais as indutâncias a níveis significativamente menores do que antes.
Vários desses subconjuntos conectados em paralelo são então conectados em série para adicionar, dessa vez, suas tensões.
Isso dá uma máquina extremamente potente capaz de realizar uma sequência de tiros muito rapidamente, exigindo apenas uma fina camada de óleo que banha as bobinas e as linhas dos interruptores.
A tecnologia LTD é 50% mais eficiente que os dispositivos atuais de acionamento da máquina Z, em termos de relação energia útil sobre energia injetada. A máquina Z tem atualmente um rendimento de 15% em sua carga (o que já representa uma excelente eficiência em relação às soluções concorrentes para a fusão).
No entanto, há um custo certo por essa eficiência.
Os fundos destinados à máquina Z foram historicamente dedicados a objetivos militares, relacionados à defesa: suas experiências visam basicamente produzir dados para simulações em supercomputadores que ajudam a manter a força, a eficiência e a segurança da força de dissuasão nuclear dos Estados Unidos. Mesmo sem sua capacidade de tiros repetidos, uma máquina baseada em LTD simularia melhor as condições criadas pelas armas nucleares, portanto os dados coletados após essas explosões em laboratório poderão ser usados com mais certeza em simulações nucleares em computadores aprimoradas. Os Estados Unidos se abstiveram de testar ogivas nucleares em condições reais há 15 anos.
Com tiros repetidos, a máquina poderia se tornar a base da primeira central elétrica de fusão nuclear operacional, dentro de vinte anos. Os avanços nessa direção exigirão, eventualmente, fundos da divisão "Energia" do Ministério da Energia.
Para se afirmar como solução viável, esse novo conceito custaria 35 milhões de dólares em cinco a sete anos, para construir uma bancada de teste com 100 cavidades. Se o teste for positivo, as próximas gerações de máquinas Z seriam projetadas com geradores LTD.
Até agora, o desbloqueio dos fundos veio de duas iniciativas do Congresso através dos programas da Administração de Segurança Nuclear do Ministério da Energia dos Estados Unidos, recursos provenientes da pesquisa dirigida pelos laboratórios internos da Sandia, e do programa de Fusão por Confinamento Inercial da Sandia.
"É como construir um brinquedo em Meccano" diz Matzen. "Acreditamos que precisamos de 60 milhões de ampères para ter um bom rendimento de fusão. Mas embora nossas simulações mostrem que é possível, só saberemos realmente depois de tê-lo construído." O dispositivo foi projetado pelo responsável pela pesquisa em tensão pulsada alta em Tomsk, Alexandar Kim, e o interruptor foi desenvolvido por Boris Kovalchuk; sua aceleração da microsegundo para 100 nanossegundos foi confiada ao gerente da Sandia Dillon McDaniel, e incentivada por seus colegas Rick Spielman e Ken Struve; o trabalho foi supervisionado na Sandia e em Tomsk pelo pesquisador da Sandia Mike Mazarakis; os testes na Sandia foram realizados por Bill Fowler e Robin Sharpe; o programa de energia de fusão Z-IFE na Sandia foi iniciado e é gerenciado por Craig Olson.
Os recentes resultados no desenvolvimento dos LTD serão apresentados na International Pulsed Power Conference e no Symposium on Fusion Engineering da IEEE, que ocorrerão em Albuquerque em junho de 2007.
A Sandia apresentou um pedido de patente sobre um acelerador de alta potência pulsada inventado por William Stygar, usando um sistema de LTD como gerador primário de corrente para substituir os geradores de Marx convencionais.
A Sandia é um laboratório com múltiplos programas, gerenciado pela Sandia Corporation, uma empresa da Lockheed Martin, para conta da Administração de Segurança Nuclear do Ministério da Energia dos Estados Unidos. A Sandia tem responsabilidades principais em P&D na segurança nacional, energia e tecnologias ambientais, e competitividade econômica.
Contato Notícias e Mídia na Sandia :
Neal Singer, , (505) 845-7078
Para encerrar esses dois artigos, que J.P. Petit me pediu para escrever para seu site, observarei de passagem que, embora tenha sido um dos primeiros a atrair a atenção do público, dos cientistas e dos... jornalistas científicos sobre esse conjunto de questões, fornecendo explicações e análises muitas vezes muito detalhadas (como essa do artigo de Malcom Haines), nenhum mencionou esses esforços, nem incluiu um link apontando para seu site. Isso não é novo e infelizmente há grandes chances de que isso não mude.
21 de maio de 2007 **Julien Geffray ** --- ---
