Дисертація Матіаса Бавая про французьку Z-машину
Французька Z-машина
Дисертація Матіаса Бавая
документ опубліковано 17 червня 2006 року
Дисертацію можна знайти тут, дуже добре документована:
http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html
Назва:
Стиснення магнітного потоку в режимі підмікросекунди для отримання високого тиску та рентгенівського випромінювання
захищена 8 липня 2002 року в ЦЕГ (Центр військових експериментів Грама, Лот).
Генератор Грама (див. зображення вище) дозволяє надавати імпульси струму 2,5 мільйона ампер, тривалістю 800 наносекунд.
Електричний генератор ECF Грама
Збільшений зразок показує діаметр установки — приблизно 20 метрів (на відміну від 33 метрів у Z-машині Сандія).
Збільшений зразок
Центральна частина установки ECF Грама
Конструкція, запропонована Баваєм, випробувана в Грамі та на генераторі Сандія, дуже оригінальна. СРСР винайшли системи стиснення потоку, де хімічний вибух створював тиск на "оболонку", виготовлену з електропровідного матеріалу — міді або алюмінію. Ця оболонка, таким чином, зжималася, стискаючи магнітне поле, що було заздалегідь створене в ній за допомогою електричного розряду в соленоїді, запитаного з батареї конденсаторів. Ідея, розроблена в дисертації Бавая, полягає в використанні сітчастої оболонки як "поршня" і заміні зовнішнього тиску, що виникає при хімічному вибуху в системах магнітної кумуляції, на "магнітний тиск". Ми зустрічаємо дві ідеї:
*- Використання легшої оболонки з меншою інерцією - Забезпечити, щоб вся енергія передавалася саме їй, оскільки "газ" з магнітним полем має "нульову інерцію". *
Таким чином, ми отримуємо компресор із двома ступенями, з ... двома оболонками — великою і малою. Це приблизно те, що було б отримано з плазмовим гарматою Сахарова, якби ми просто... закрили цю гармату!
Плазмова гармата Сахарова, модифікована
Повернемося до початкового схематичного зображення. Електричний розряд створює магнітне поле в "стволі" А. Потім вибуховий заряд запускається з лівої сторони, що призводить до розширення мідної оболонки.
Мідний конус закриває ствол, утримуючи магнітне поле, яке, "стиснуте", намагається викинути алюмінієвий кільце в простір між "стволом" з міді та центральною оболонкою, заповненою вибуховим зарядом. Але в новій конструкції ми перешкоджаємо викиданню цього кільця, що в результаті різко вдаряється в закритий кінець "стволу", створюючи високі тиски. Звичайно, ми створюємо вакуум між мідним кільцем і закриваючим елементом, що знаходиться справа, у вигляді сірого кольору. Алюмінієве кільце виконує роль другої "оболонки", перетворюючись на плазму під час проходження. Центральна оболонка також піддається пластичній деформації.
Повернемося до дисертації Бавая. Ми впізнаємо елементи вищеописаної конструкції, але виконані інакше. Як зазначено, обидві оболонки є "сітчастими" і перетворюються на плазму. Необхідно створити певний магнітний тиск у камері А перед тим, як вона буде закрита. Решта — замінити прискорювальний елемент, газ, що утворюється при вибуху, на магнітний тиск. Отримуємо наступне:
Конструкція дисертації Матіаса Бавая
Щоб краще зрозуміти, можливо, слід поєднати два етапи, зображені тут, на одному зображенні. Ось спочатку конструкція Бавая в початковому стані:
Конструкція Матіаса Бавая в початковому стані
Є дві електричні розряди: одна, зображена фіолетовим, "первинний розряд", і друга, зображена червоним, "другинний розряд". Ці два розряди створюють магнітне поле всередині двох коаксіальних порожнин тороїдальної форми. Видно циліндричну оболонку, яка насправді складається з першого набору дротів. У дисертації Бавая зазначено, що коли ці дроти пропускають великий струм, вони не перетворюються миттєво на металеву плазму. Навпаки, вони мають досить довгу тривалість життя, що може досягати 80% часу, необхідного для радіального зближення цього "сітчастого" розміщення дротів до осі. Саме це є секретом збереження осьової симетрії в експерименті Сандія. Коли цей об'єкт зжимається, це не є ні сукупністю дротів, розміщених біля одне одного, ні сіткою плазми, а "змішанням обох". Це теоретично описано Малкомом Хейнсом, який називає це "утворенням оболонки":
Утворення "оболонки"
Зверху — дроти трохи після початку розряду. Вони починають сублімуватися на поверхні. Навколо ще твердих дротів утворюється оболонка з металевої плазми. У дисертації Бавая зазначено, що дроти зберігають холодне тверде ядро. Вони випаровуються на периферії, випускаючи плазму з металевих атомів, яка розширюється. Коли ці циліндри плазми зустрічаються, утворюється "вінок". Бавай пише, що цей вінок утворюється, коли пройшло 80% часу імплозії. Це означає, що протягом цього часу струм проходить по дротах окремо. Якщо в плазмі (іонізованому газі) можуть виникати MHD-нестабільності, коли локальна густина струму та інтенсивність магнітного поля можуть коливатися, то в сітці дротів це не має місця.
У дисертації зазначено, що швидкість розширення металевої пари становить 10 000 м/с для вольфраму і 22 000 м/с для алюмінію. Порядок величини діаметра дротів (нараховується 240 штук): 10 мікрон.
Я не знайшов швидкості розширення для дротів з нержавіючої сталі. Люди з Сандія дуже здивувалися, побачивши, що температура в кінці імплозії досягла 2 мільярдів градусів. Можлива пояснення полягає в тому, що швидкість розширення пари з нержавіючої сталі була б меншою, що затримувало утворення "вінка", де могли б виникнути нестабільності. Оскільки, як зазначено вище, дроти зберігали "холодне ядро", це практично означає, що "дроти" зустрічалися на осі, а плазмовий стрижень утворювався в останні моменти імплозії. Тому замість кількох сотень кілометрів на секунду радіальна швидкість в момент удару може досягти 1000 км/с. Тому такий ріст температури пов'язаний з ... зміною матеріалу. Відкрите питання.
У момент tm оболонки плазми зустрічаються. Тоді ми отримуємо дві переваги. Це закриття дозволяє створити "герметичну перегородку" щодо магнітного поля, а неоднорідність середовища в азимутальному напрямку протидіє зростанню MHD-нестабільностей і зберігає осьову симетрію процесу.
Повернемося до схеми дисертації Бавая, після її переробки:
Конструкція Бавая після включення crowbar
Під час цих розрядів конденсатори розряджаються в кола, що мають індуктивність. Хто бачить у 3D, ці розподіли двох плям струму фіолетового і червоного кольору мають геометрію ліній, що утворюють тор. Це "як індуктивності". Коли "сітка дротів + металева плазма" просунулася до осі, вона закриває те, що Бавай називає "зазором". Таким чином, ця "індуктивність" виявляється відірваною від конденсатора, що її зарядив. Ми знову зустрічаємо тему crowbar, згадану вище в цьому дослідженні. Червоний електричний струм продовжує "обмежувати" це коло і, звичайно, втрачає свою інтенсивність через джоулеве нагрівання (розряд індуктивності в опорі, що складається саме з неї).
Фіолетовий Jprim означає "первинний струм". Цей струм створює магнітне поле, лінії сили якого не показані, але є азимутальними. Це поле є синонімом магнітного тиску, який діє на першу оболонку, якій завжди надається циліндрична форма. Об'єм, де знаходиться магнітне поле, створене червоним струмом, зменшується. Щоб зберегти потік, магнітне поле збільшується, збільшується і струм (червоний), тому цей струм називається Jamp (збільшений струм). Цей магнітний тиск діє на другу "сітчасту оболонку", розташовану зверху на малюнку, яка виконує роль, яку в нашій "закритій плазмовій гарматі" виконує алюмінієве кільце. Ця друга оболонка також перетворюється на неоднорідну сітку, утворену металевими дротами, з'єднаними атмосферою випарованого металу. Все це повільно зближується до осі. Все залежить від значень параметрів експерименту. У верхній частині малюнка ми маємо також "клітку для птаха", з певним початковим діаметром. Струм, що проходить через неї, менший, ніж у експерименті Сандія: 2,5 мільйона ампер замість 20. Ця клітка також меншого розміру. Її імплозія дозволяє досягти кількох мільйонів градусів, і в цьому сенсі система виконує свої обіцянки, стаючи генератором рентгенівського випромінювання. Але якщо пристрій дозволяє зжимати більшу клітку діаметром 8 см і якщо струм можна підвищити до 20 мільйонів ампер, ми не бачимо причин, чому ця фантастична температура в 2 мільярди градусів не може бути отримана в Лот, Франція. Зауважимо, що система живлення Грама дає розряди тривалістю 100 наносекунд, як і Z-машина Сандія.
Перейдемо до деяких результатів (див. дисертацію Бавая, доступну онлайн).
Синій — "первинний струм", червоний — "другинний струм".
Первинний струм зменшується, оскільки генератор розряджається в індуктивність зі зростаючою величиною (це пов'язано з розширенням порожнини). Другинний струм спочатку повільно зростає, що пов'язано з простою розрядкою джерела (конденсатор розряджається в індуктивність). Злам відповідає моменту, коли "зазор" закритий або включається crowbar, тобто трохи більше двох мікросекунд після початку стрільби. У цей момент червоний струм стрибає, оскільки це струм, що проходить через індуктивність, що зменшується через стиснення цієї тороїдальної порожнини. Ми отримуємо пік індукованого струму. Час підйому струму відповідає вимогам: сотні наносекунд. Дійсно, цей підйом струму повинен відбуватися за час, що менший, ніж час, необхідний для імплозії другої оболонки, щоб д