Luận án của Mathias Bavay về máy Z của Pháp

Luận án của Mathias Bavay về máy Z của Pháp

Máy Z Pháp

Luận án của Mathias Bavay

Tài liệu được đăng lên ngày 17 tháng 6 năm 2006

Bạn có thể tìm thấy luận án này, rất đầy đủ tài liệu tại:

http://mathias.bavay.free.fr/these/sommaire.html

Tiêu đề:

Nén từ trường trong chế độ dưới một phần triệu giây để đạt được áp suất cao và bức xạ tia X

bảo vệ ngày 8 tháng 7 năm 2002 tại CEG (Trung tâm thí nghiệm quân sự Gramat, Lot).

Máy phát điện Gramat (xem hình ảnh phía trên) có thể cung cấp xung dòng điện 2,5 triệu ampe, kéo dài 800 nanosecond.


Máy phát điện điện ECF Gramat

Một hình ảnh phóng to cho thấy đường kính của thiết bị, khoảng 20 mét (so với 33 mét của máy Z của Sandia).

Hình ảnh phóng to

Phần trung tâm của thiết bị ECF Gramat

Bố trí do Bavay đề xuất, được thử nghiệm tại Gramat và trên máy phát của Sandia, rất độc đáo. Người Liên Xô đã phát minh ra các hệ thống nén từ trường, trong đó một chất nổ hóa học tạo áp suất lên "vỏ" (liner) làm bằng vật liệu dẫn điện như đồng hoặc nhôm. Vỏ này bị nén lại, làm nén từ trường tồn tại bên trong nó, được tạo ra trước đó bằng cách phóng điện trong một cuộn dây solenoid bằng bộ tụ điện. Ý tưởng được phát triển trong luận án của Bavay là sử dụng một "vỏ" dạng dây làm như "piston" và thay thế áp suất bên ngoài, từ nguồn hóa học trong các máy nén từ trường, bằng "áp suất từ trường". Ta thấy hai ý tưởng chính:

- Sử dụng một vỏ nhẹ hơn, có quán tính nhỏ hơn - Đảm bảo toàn bộ năng lượng được truyền tới nó, "khí từ trường" có "quán tính bằng không".

Kết quả là một máy nén hai cấp, với... hai vỏ, một lớn và một nhỏ. Về cơ bản, đó chính là điều ta sẽ đạt được nếu ta... bịt kín súng plasma của Sakharov!

Súng plasma của Sakharov, đã được điều chỉnh

Ta quay lại sơ đồ ban đầu. Một phóng điện tạo ra từ trường trong "bệ" A. Sau đó, chất nổ được kích hoạt bởi phần bên trái, làm giãn nở "vỏ" đồng.

Cone đồng đóng kín bệ, giữ kín từ trường, bị nén, có xu hướng đẩy vòng nhôm ra không gian nằm giữa "súng" đồng và vỏ trung tâm chứa chất nổ. Nhưng trong bố trí mới, ta sẽ ngăn cản sự đẩy vòng này ra, khiến nó đập mạnh vào đầu kín của "súng", tạo ra áp suất rất lớn. Tất nhiên, ta đã tạo chân không giữa vòng đồng và nắp đậy ở bên phải, màu xám. Vòng nhôm đóng vai trò như một "vỏ" thứ hai khi nó bốc hơi, chuyển thành plasma khi đi qua. Vỏ trung tâm cũng trải qua biến dạng dẻo.

Quay lại luận án của Bavay. Chúng ta sẽ nhận ra các thành phần trong bố trí trên, được cấu tạo khác biệt. Như đã nói, hai vỏ đều là "dạng dây" và sẽ biến thành plasma. Cần tạo ra một áp suất từ trường nhất định trong buồng A trước khi buồng này được đóng kín. Còn lại là thay thế phần đẩy, khí từ vụ nổ bằng áp suất từ trường. Khi đó ta sẽ có được điều này:

Bố trí luận án của Mathias Bavay

Để hiểu rõ hơn, có lẽ nên ghép hai giai đoạn được thể hiện ở đây thành một hình ảnh duy nhất. Trước tiên, ta xem bố trí của Bavay ở trạng thái ban đầu:

Bố trí của Mathias Bavay ở trạng thái ban đầu

Có hai phóng điện, một biểu diễn bằng màu tím, "phóng điện sơ cấp", và một bằng màu đỏ, "phóng điện thứ cấp". Hai phóng điện này tạo ra từ trường bên trong hai buồng đồng trục, hình dạng toroid. Ta thấy một "vỏ" hình trụ, thực tế là được tạo thành từ một tập hợp dây đầu tiên. Trong luận án của Bavay, ta được biết rằng khi các dây này bị dòng điện mạnh đi qua, chúng không chuyển thành plasma ngay lập tức. Ngược lại, chúng có thời gian sống khá dài, có thể đạt tới 80% thời gian mà "rèm dây" này di chuyển theo hướng bán kính và hội tụ về trục. Đây chính là bí mật giúp duy trì tính đối xứng trục trong thí nghiệm của Sandia. Khi vật thể này bị nén, nó không phải là một tập hợp các dây đặt cạnh nhau, cũng không phải là một màn plasma, mà là "sự pha trộn của cả hai". Điều này đã được lý thuyết hóa bởi Malcom Haines, người gọi đó là "sự hình thành lớp vỏ":

Sự hình thành "lớp vỏ"

Ở trên, các dây chỉ vài giây sau khi phóng điện được khởi động. Chúng bắt đầu bốc hơi bề mặt. Các dây còn rắn được bao quanh bởi lớp vỏ plasma kim loại. Trong luận án của Bavay, ta đọc được rằng các dây giữ được lõi lạnh, rắn. Chúng bốc hơi ở rìa ngoài, phát ra plasma gồm các nguyên tử kim loại lan rộng. Khi các hình trụ plasma này gặp nhau, "vòng ngọc" hình thành. Bavay viết rằng vòng ngọc hình thành khi 80% thời gian nén đã trôi qua. Điều này có nghĩa là trong suốt thời gian đó, dòng điện vẫn chạy riêng lẻ trong từng dây. Nếu các bất ổn MHD có thể xảy ra trong plasma (khí bị ion hóa) nơi mật độ dòng điện có thể dao động, cũng như cường độ từ trường, thì điều này không xảy ra trong màn dây.

Trong luận án của mình, Bavay ghi nhận tốc độ bốc hơi của hơi kim loại là 10.000 m/s đối với vonfram và 22.000 m/s đối với nhôm. Cỡ đường kính của các dây (tổng cộng 240 sợi): 10 micron.

Tôi không tìm thấy tốc độ bốc hơi cho các dây inox. Những người ở Sandia rất ngạc nhiên khi thấy nhiệt độ đạt được vào cuối quá trình nén lên tới 2 tỷ độ. Một giải thích khả dĩ là tốc độ bốc hơi của hơi thép inox sẽ thấp hơn, làm chậm quá trình hình thành "vòng ngọc" nơi có thể nảy sinh các bất ổn. Như đã nói ở trên, các dây giữ được "lõi lạnh", do đó thực tế là "các dây" sẽ va chạm vào trục, còn dây plasma chỉ hình thành vào những giây cuối của quá trình nén. Như vậy, thay vì hàng trăm km mỗi giây, tốc độ hướng tâm tại thời điểm va chạm có thể đạt tới 1000 km/s. Từ đó dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ do... thay đổi vật liệu. Vấn đề còn mở.

Tại thời điểm tm, các lớp vỏ plasma này gặp nhau. Khi đó ta đạt được hai lợi ích. Việc đóng kín này tạo ra một "vách ngăn" kín đối với từ trường, trong khi sự không đồng nhất của môi trường theo hướng vòng quanh cản trở sự gia tăng bất ổn MHD và duy trì tính đối xứng trục của quá trình.

Ta quay lại sơ đồ luận án của Bavay, sau khi đã chỉnh sửa:

Bố trí Bavay sau khi sử dụng crowbar

Trong các phóng điện này, tụ điện phóng điện vào các mạch có độ tự cảm. Với người biết nhìn theo chiều 3D, các lớp dòng điện tím và đỏ có hình dạng các đường sinh của một hình toroid. Chúng giống như "các cuộn cảm". Khi màn "dây + plasma kim loại" đã tiến về trục, nó đóng kín cái mà Bavay gọi là "khe hở" (gap). Khi đó, "cuộn cảm" này bị tách khỏi tụ điện đã nạp cho nó. Ta thấy lại chủ đề crowbar được đề cập ở phần trước của tài liệu. Dòng điện đỏ sẽ tiếp tục "quay vòng" như vậy và tự nhiên giảm cường độ do tổn hao Joule (phóng điện của cuộn cảm qua điện trở do chính nó tạo ra).

Ở màu tím, Jprim có nghĩa là "dòng sơ cấp". Dòng này tạo ra từ trường, các đường sức từ không được biểu diễn nhưng có hướng vòng quanh. Từ trường này tương đương với áp suất từ trường và áp suất này tác dụng lên vỏ thứ nhất, luôn được mô tả dưới dạng hình trụ. Thể tích chứa từ trường do dòng đỏ tạo ra sẽ giảm. Để bảo toàn thông lượng từ, từ trường sẽ tăng, dòng điện (màu đỏ) cũng tăng, do đó được gọi là Jamp (dòng điện khuếch đại). Áp suất từ trường này tác dụng lên vỏ thứ hai dạng dây nằm ở trên hình, đóng vai trò tương tự như vòng nhôm trong "súng plasma bị bịt kín" của chúng ta. Vỏ thứ hai này cũng sẽ biến thành màn không đồng nhất, gồm các dây kim loại nối với nhau bởi một môi trường hơi kim loại. Và tất cả điều này sẽ dần hội tụ về trục. Mọi thứ đều phụ thuộc vào các tham số thí nghiệm. Ta có một "lồng chim" ở trên hình, với đường kính ban đầu nhất định. Dòng điện chạy qua nó yếu hơn so với thí nghiệm tại Sandia: 2,5 triệu ampe thay vì 20 triệu. Lồng này cũng nhỏ hơn. Sự nén của nó cho phép đạt tới vài triệu độ, và về mặt này hệ thống giữ đúng lời hứa, trở thành nguồn phát tia X. Nhưng nếu thiết bị cho phép nén một lồng lớn hơn, đường kính 8 cm, và dòng điện có thể tăng lên 20 triệu ampe, ta không thấy lý do gì tại sao nhiệt độ 2 tỷ độ không thể đạt được tại Lot, Pháp. Cần lưu ý rằng hệ thống cấp điện của Gramat tạo ra xung 100 nanosecond, giống như máy Z của Sandia.

Chuyển sang một số kết quả (tham khảo luận án của Bavay, có thể truy cập trực tuyến).

Màu xanh: dòng sơ cấp, màu đỏ: dòng thứ cấp.

Dòng sơ cấp giảm vì máy phát đang phóng điện vào một cuộn cảm có độ tự cảm tăng dần (liên quan đến sự mở rộng của buồng). Dòng thứ cấp ban đầu tăng chậm, do phóng điện đơn thuần từ nguồn (tụ điện phóng điện vào cuộn cảm). Điểm gãy tương ứng với thời điểm "khe hở" bị bịt kín, hay crowbar hoạt động, tức là hơn hai microsecond sau khi bắn. Tại thời điểm này, dòng đỏ tăng vọt, vì đó là dòng chạy trong cuộn cảm đang giảm do bị nén bởi buồng toroid. Ta thu được đỉnh dòng điện cảm ứng. Thời gian tăng dòng điện phù hợp với yêu cầu: hàng trăm nanosecond. Thực tế, sự tăng dòng điện phải diễn ra trong thời gian nhỏ hơn thời gian mà vỏ thứ hai cần để nén, để các dây có thể thu được năng lượng động học, chuyển hóa thành năng lượng dao động nhiệt tại thời điểm va chạm vào trục.

Hình này được trích từ một lần bắn khác. Ta có thể thấy công suất bức xạ dưới dạng tia X.

Công suất bức xạ dưới dạng tia X

Màu vàng: công suất bức xạ dưới dạng tia X.

Kết luận từ việc đọc luận án của Bavay là người Pháp sở hữu đầy đủ kỹ năng để xây dựng một thí nghiệm tương tự như máy Z (chúng ta có "cái giống hệt ở nhà", chỉ nhỏ hơn một chút). Về cá nhân, tôi đề xuất điều chỉnh máy nén, điều này sẽ giúp quá trình nén "vỏ lớn" trở nên ổn định hơn. Không cần thiết phải khiến nó uốn cong quá mạnh để đưa năng lượng này vào "lồng chim" ở vị trí cao. Hơn nữa, bố trí Gramat "hai cấp, hai vỏ dây", rất thông minh (chúng ta ở Pháp cũng có người thông minh như người Nga) có thể giúp đạt được kết quả tương tự như người Mỹ, ngay cả với máy nhỏ hơn một chút, chỉ cần sử dụng nguồn dòng điện như hiện tại. Dù sao đi nữa, nếu tôi ở Gramat, tôi sẽ ngay lập tức thử điều này. Dù rõ ràng tôi chỉ quan tâm đến các ứng dụng dân sự của phát hiện này, điều đầu tiên cần làm là đạt được sự tổng hợp "thuần khiết" một lượng nhỏ lithium hydride bằng bất kỳ cách nào, ở bất kỳ đâu, trong bất kỳ bối cảnh nào. Sau đó, "mỗi người sống cuộc đời của mình". Người dân sẽ điều chỉnh thí nghiệm để làm máy phát điện, còn quân đội sẽ làm bom bằng cách thay thế nguồn điện ban đầu bằng nguồn pyrotechnic từ trường kiểu Nga. Dù sao đi nữa, nếu người Pháp bắt đầu làm bom tổng hợp thuần khiết, điều đó là không thể tránh khỏi, họ sẽ không phải là người duy nhất. Ta đã thấy sự bùng nổ hiện nay tại Mỹ. Ta sẽ thấy điều tương tự ở Nga và Trung Quốc, thậm chí ở nơi khác.

18 tháng 6 năm 2006: Một đề xuất, rất sơ lược, cải tiến bố trí của Mathias Bavay. Côn trục rõ ràng không nên có góc nhọn. Thiết bị cần được tối ưu hóa bằng mô phỏng số, nhưng tôi nghĩ rằng vỏ dây số 1 nên ổn định hơn.

Sự đối xứng lớn hơn của bố trí này có thể giúp đạt được sự tăng áp suất và nhiệt độ tối ưu trong lồng dây trung tâm.

• Nhiệt độ cuối quá trình nén? *

Chúng ta có thể mong đợi điều gì từ máy Gramat? Cường độ dòng điện vẫn bị giới hạn. Hai triệu rưỡi ampe thay vì 20 triệu như máy Z. Tại Anh, Magpie, đặt tại Imperial College, đạt tới 1,4 MA.

Chi phí của loại thiết bị này là bao nhiêu? Việc nâng cấp từ Z sang ZR tại Sandia tốn 61 triệu đô la. Chi phí một máy Z có thể ước tính khoảng 50 triệu euro. Chi phí ITER được tính là 13 tỷ euro (và chắc chắn sẽ vượt quá con số này), tỷ lệ là 1 trên 260. Chi phí LMJ, Laser megajoule: 2,5 tỷ euro. Đây là 50 lần chi phí xây dựng một "ZR" Pháp. Nếu logic, ta nên "đẩy mạnh" về phía các máy phát ra hàng chục triệu ampe trong 100 nanosecond. Người thiết kế máy ECF Gramat là kỹ sư Polytechnicien Jean-François Léon. Ngay từ năm 2002, ông đã lập kế hoạch cho một người kế nhiệm ECF, có thể đạt tới 60 triệu ampe.

Nhìn nhanh vào ZR, người kế nhiệm máy Z tại Sandia. Dự án được thiết kế trước khi đạt được bước đột phá năm 2005, trước khi đạt được 3,77 tỷ độ. Ban đầu, nó chỉ đơn giản là "một máy phát tia X mạnh hơn một chút". Máy Z trông như thế nào?

Máy Z của Sandia

Tài liệu PDF mà tôi quên mất URL cho biết rằng hai đơn vị được chồng lên nhau trong mỗi "tia". Trong ZR, người ta xếp ba tầng này chồng lên nhau. Cường độ dòng điện vì vậy tăng từ 18 lên 28 triệu ampe, tức là tăng gấp 1,5 lần.

ZR: Cùng đường kính: 33 mét, nhưng ba tầng chồng lên nhau thay vì hai.

Bố trí vẫn bị chi phối bởi mục đích ban đầu: phơi nhiễm mạnh các đầu đạn bằng tia X. Ta cần nhớ rằng ban đầu, vỏ dây được dự kiến sẽ bốc hơi và nén một mục tiêu gồm một hình trụ polystyrene đường kính 2 cm, cao 4 cm. Khi được làm nóng đến nhiệt độ cao, nó được dự kiến sẽ phát bức xạ lên trên, qua một cửa sổ. Ta đang trong bối cảnh "holraum", "lò nung". Như vậy, ZR là một máy để thử nghiệm đầu đạn. Với cường độ dòng điện mới, vì nhiệt độ ion hóa tăng theo bình phương cường độ, người Mỹ có thể hy vọng chạm tới mức mười tỷ độ, nhiệt độ tồn tại ở trung tâm một siêu tân tinh. Nhưng không có khó khăn kỹ thuật nào khi "nhân đôi" ZR bằng cách xếp thêm ba tầng trên đỉnh, làm cường độ dòng điện lên tới 56 triệu ampe.

Sau khi bảo vệ luận án, Bavay, sau khi hoàn tất các thí nghiệm trên máy ECF Gramat bằng cách thực hiện thêm các thử nghiệm trên máy Z của Sandia, không thấy có triển vọng tiếp tục công việc tại Gramat, đã chấp nhận đề nghị của các chuyên gia Albuquerque và rời đi để tiếp tục nghiên cứu tại Hoa Kỳ.

Được một độc giả báo cáo, một bài viết tốt, gần đây, trên Wikipedia

http://fr.wikipedia.org/wiki/Z_machine

Trở về Hướng dẫn [Trở về trang chủ](/