用于核聚变的Z机器和LTD
增强型LTD Z机器
作者：朱利安·杰夫雷
2007年5月21日
由于Z机器，核聚变的活动和新闻在美国重新开始。但对于法国的Z机器“Sphinx”，情况却不同，因为DGA确实已经完全封锁了相关信息，正如您在阅读2007年5月16日《Les Echos》报纸上的这篇文章时可以发现的：
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《Les Echos》
2007年5月16日
技能
核能
法国Z机器拒绝能源
小“Sphinx”。
在法国的Quercy地区，Gramat研究中心（CEG）近年来一直使用一台名为“Sphinx”的小型法国Z机器（250万安培），它像其美国的姐妹机器一样，主要用于测试核弹头的耐受性。
与它不同的是，它不会进行任何民用实验。几年前，Gramat的研究人员曾试图向他们的军方上级提出多样化研究的建议，但没有成功。
在接受《Les Echos》采访时，这位“非常固执”的CEG表示，如今他们没有任何能源项目。
这种投资的谨慎态度引起了聚变专家的担忧。
法国在强电工程方面的技能正受到威胁，其中一位专家表示。
在英国，有一台等效的机器，即帝国理工学院的Magpie（140万安培），正在积极进行磁压缩研究，尤其是由美国资金支持。虽然它不够强大，无法达到Z机器的核目标，但美国人用它来补充他们对磁压缩本身的研究。俄罗斯人也似乎即将在这个研究领域进行投资。
注：“Striction”是“pinch”的法语翻译，意思是“夹紧”。因此，Z机器进入了所谓的“Z-pinch”等离子体机器类别，其中“夹紧”等离子体沿着系统的对称轴OZ。所有的Z-pinch也是MHD机器，法国在30年前在这一领域非常领先，但到了70年代中期，这一领域被完全且故意地放弃了。在官方机构的这种无反应中，也包含了许多不理解、简单的无能。例如，军事MHD在法国完全不存在，而在美国、俄罗斯和其他国家却正在蓬勃发展。我们可以用一句话来总结：
其他国家的人正在全力推进，而法国人却踩着刹车站着。
另一点评论：阿兰·朱佩被任命为“环境部长”。因此，最近许多致力于环境保护的协会代表被邀请参加。但这一点与积极支持新能量来源的行动密不可分。然而，这里却完全缺席。不仅缺乏动力，也缺乏信息和……技能。但让我们回到文章的主题。
在美国，关于最新一代LTD发电机的消息令人着迷，进展比预期更快。桑迪亚实验室于2007年4月24日发布了一则新闻稿，标题为：
Rapid-fire pulse brings Sandia Z method closer to goal of high-yield fusion reactor（快速脉冲使桑迪亚Z方法更接近高产核聚变反应堆的目标）
文章全文稍后在这页上翻译：
一种称为LTD（Linear Transformer Driver）的发电机，可以翻译为“线性变压器驱动器”，它应该能够使Z机器实现真正可利用的可控核聚变。LTD将使Z机器更紧凑、更简单，使巨大的绝缘水油池和用于在时间上调节脉冲的“水线”变得过时。它还将允许以0.1赫兹的频率进行重复射击，而目前的Z机器每天只能进行一次射击！LTD发电机并不是真正的惊喜，因为法国的Sphinx Z机器早已配备了LTD。这里的新颖之处在于俄罗斯最新LTDZ型号所取得的性能：
俄罗斯LTDZ发电机，100千兆瓦：100万安培和100千伏
直径：3米 - 深度：22厘米
简单解释一下LTD发电机：它由“砖块”组成，每个“砖块”大小像一个鞋盒，包含两个电容器和一个开关。这些“砖块”以并联方式连接，并在我们感兴趣版本中排列成一个圆圈，40个这样的“砖块”组成一个环形腔体。
LTDZ的“砖块”结构示意图
1：两个GA 31165电容器（100 kV，40 nF），2：多间隙HCEI开关，3：出口喷嘴，4：磁芯，5：绝缘体，6：真空或油腔，7：充电腔，8：聚己内酯杆
目前最复杂的俄罗斯版本在西伯利亚托木斯克的High Current Electronics Institute（HCEI）进行测试，桑迪亚实验室最近购买了四台。请注意美俄在Z-pinch聚变方面的接近……这个世界上最强大的LTD（100千兆瓦）能够以100,000伏特输出100万安培的电流，脉冲持续时间自然为100纳秒（因此不需要压缩脉冲时间）。它还设计为每10秒发射一次！而这正是未来磁压缩核聚变电厂所需的节奏，它实际上就像一个“两冲程聚变”（压缩，膨胀）。
这个概念似乎可靠。这个LTD的前一版本，相同但功率低两倍（20块砖产生50万安培和100,000伏特）已经通过了桑迪亚实验室超过11,000次射击的测试。在托木斯克，一个开关已经每12秒发射了超过37,000次。
这些腔体是模块化的，桑迪亚计划像煎饼一样堆叠它们，然后将这些杆子乘以数量。因此，将有70个圆柱形模块以径向方式排列，每个模块包含70个堆叠的LTD。这种配置的效率是无与伦比的：
- 在每个模块中，长20米，70个内部LTD串联连接以增加电压。因此，每个模块的输出将是100万安培和700万伏特。
- 然后将这70个模块并联连接以增加电流，最终输出7000万安培和700万伏特。
桑迪亚“IFE驱动器”项目，直径104米。
7000万安培，700万伏特，理论功率490太瓦。70个模块，每个模块包含70个LTD，总共392,000个电容器。
考虑到沿MITL（磁绝缘传输线）等不可避免的损失，桑迪亚预计可获得6000万安培和600万伏特的可利用功率。这将代表在目标注入前的功率为360太瓦。
这个测试平台将水平放置，如图所示。库尔恰托夫研究所的俄罗斯人建议也将这些模块堆叠起来。甚至可以想象一个球形对称。正如一位从事该领域工作的科学家所说：这有点像玩乐高积木……
LTD组装图
这……完全是俄罗斯的，一个简单的想法。进步是巨大的。正如桑迪亚的文本中所说（它重申了我长期以来一直说的。我1975年在《科学与生活》杂志中首次提到“两冲程聚变”，带有MHD压缩器），这是脉冲聚变的途径，通过压缩。这是“爆炸发动机”对“蒸汽机”的未来：ITER。
如果我们回到1979年1月的《Pour la Science》杂志，我们会发现Z机器的最初形式，由Yonas在桑迪亚建造。其功率已经相当大，但缺乏聚焦。1976年，当我拜访桑迪亚时，Gérald曾对我说：“我们能够将一个鸽子蛋大小的体积集中，但无法做得更好。”关键的进展是“鸟笼”，著名的“线圈”使聚焦成为可能，这是没有人想象过的。我们集中了240根不锈钢丝，按照一个8厘米直径的圆柱体排列，形成一个1.5毫米直径的等离子体束。就这样，温度迅速上升，成功了！至于其余部分，是电力工程，早已成为长期研究的课题。必须加上俄罗斯人传奇般的技巧，他们迅速降低成本。他们很快抓住了2005年那次实验的机遇，其中温度达到了35亿度。他们很清楚这并不是一个极限。这比库尔汉的JET达到的温度高35倍，而ITER将是其昂贵的继任者。这比氢弹核心的温度高7倍，是太阳核心温度的175倍。
有些人说并写到：“我们想澄清的是，这些Z-pinch还没有达到聚变条件（而托卡马克则……）。请先证明用这种方法可以实现聚变反应。”
证明？如何？在哪里？用什么钱？哪些研究人员？……
这会实现，但不会在我们这里。
照目前的进展速度，即……以疯狂的速度，除了法国，法国人还在安睡，这个脉冲途径将在那个宏伟项目的第一锹土被挖掘之前就产生聚变反应。我们记得，决定投入这个项目的是法国一位著名的科学家，教授雅克·希拉克。萨科齐会敢于在早期阻止这个恐龙，这个“地区规模的社会计划”吗？随着这些最新进展，这值得深思。
希拉克的两个任期确实是纯粹的政治。如何迎合舆论，如何连任，如何操纵某个群体。您想让我做预测吗？希拉克将重新定位自己为地球和环境的坚定捍卫者。现在他不再是总统，他将扮演罗马元老院的鹅。记得当时雨果经常去拜访他，骑着摩托车进入爱丽舍宫的院子。雅克做了很多演讲……在六边形之外。他将找到一个地方，给人们上生态道德课。
打赌吗？
我的读者告诉我：“为什么不去联系朱皮？还有新任科研部长瓦莱丽·佩克雷斯？”
我明天可以见任何想见的人。但过去一年里，我们一直追着各种政治人物，但没有成功。我们以为选举后会更有机会。错了。我们拜访了雨果（甚至他的科学顾问于贝尔·雷夫斯）：一无所获。很多人……完全不明白，他们和他们的科技专家。巴约在听到后睁大了眼睛。塞格莱娜·罗亚尔的竞选团队建议我们阅读她的博客。等等……
无论如何，从2007年初开始，我们有一张王牌：一封来自俄罗斯“油”（Kurchatov研究所的聚变负责人，获得众多科学荣誉，头衔，科学院成员）的信。这封信是他写的。我们有它。它支持Z-pinch的发展。但如我之前所说，我们没有……接收者！我们不能把这样的文件放到网上。如果瓦莱丽·佩克雷斯的圈子里有人出现（或者她本人，谁知道呢？），俄罗斯人会签名并寄出。
俄罗斯LTDZ发电机的最新实验结果将在2007年的国际会议（国际脉冲功率会议和聚变工程研讨会）上于新墨西哥州阿尔伯克基市6月17日至21日展示。有兴趣的读者可以提前阅读桑迪亚实验室2006年9月的一份简化的报告，其中介绍了LTD与Saturn机器结合的概念。虽然这台机器的功率较低，但该文件的内容可以直接应用于Z机器。也请阅读俄罗斯科学家关于这些最新一代发电机的科学论文，该论文在最近的国际会议上发表：100 GW Fast LTD Stage。
以下是2007年4月24日桑迪亚实验室官方网站上发表的文章的法语翻译：
http://www.sandia.gov/news/resources/releases/2007/rapid-fire-pulse.html
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原文链接：
2007年4月24日：快速脉冲使桑迪亚Z方法更接近高产核聚变反应堆的目标 一种能够连续发射数千次而不失败的革命性电路 在西伯利亚，而不是51区：桑迪亚的比尔·福勒正在测试一种LTD发电机的电路，该电路能够快速且重复地产生强大的电脉冲。（照片由兰迪·蒙托亚拍摄） 新墨西哥州阿尔伯克基——一种能够提供足够电力以最终实现高产可控核聚变，并且同样重要的是每10秒一次的电路，已在桑迪亚实验室（Z机器所在地）进行了初步试验和计算机模拟。
目前，Z机器是地球上最大的X射线发生器，并且已经能够产生聚变中子。但为了未来的运行电厂，需要快速重复射击以从海水中产生电能。这在以前被认为是不可能的。
桑迪亚是美国国家核安全局的实验室。
它是如何工作的？
一种只点燃一个气缸然后等待数小时再重新点燃的爆炸发动机，不会让汽车跑得太远。
同样，一种为人类提供无限电力的机器，从丰富而便宜的海水获取能量，不能只打一枪然后整天休息。它必须每10秒点燃一次氢粒，并且在每次维护之间进行数百万次射击——一种核聚变的内燃机。这正是桑迪亚实验室和其它地方所提倡的“惯性约束聚变”方法。
桑迪亚的科学家迪伦·麦克丹尼尔（从左数第二）和史蒂夫·格洛弗（右）在西伯利亚与亚历山大·金（俄罗斯托木斯克HCEI）一起检查一个500千安的LTD，在将其送往桑迪亚之前。左边的人是桑迪亚的翻译罗马·卡恩。
由于只能偶尔产生聚变，这种方法已被“磁约束聚变”技术所超越——该技术使用磁场试图将连续的聚变反应困住，从中提取能量。
然而，正在技术前沿出现的电路可能会改变这两种系统的平衡。即使对于通常保守的研究人员来说，它也被认为是“革命性的”，它可能弥补第一种方法在第二种方法上的明显滞后。
该发电机能够在10.2秒内以短暂而强大的电力脉冲进行射击。
“这是几十年来电力生产研究中最显著的进展，”桑迪亚脉冲功率中心的主任基思·马特岑说。
新系统称为Linear Transformer Driver（LTD），由俄罗斯托木斯克高强度研究所的研究人员与桑迪亚的美国研究人员合作开发。
桑迪亚科学、技术和研究基金会的副总裁里克·斯图伦表示：“这项新技术不仅代表了显著的技术进步，还证明了桑迪亚科学家和工程师在国际社会中的坚定承诺。”通往核聚变的皇家之路
该电路——一个紧密耦合的两个电容器的开关——大约有一个鞋盒的大小，被称为“砖块”。当多个砖块以20个一组并联连接在一个类似大圆环的容器中时，该腔体可以传输50万安培和100千伏的电流。
这样的腔体在桑迪亚的4号区域进行了测试，重复发射了超过11,000次，没有任何故障。
俄罗斯HCEI的鲍里斯·科瓦尔丘克（穿灰色衣服）向桑迪亚的迪伦·麦克丹尼尔展示了新LTD装置的图纸，旁边是亚历山大·金（右边的人未被识别）。
由于这些腔体是模块化的，它们可以像甜甜圈一样堆叠在一根金属杆上，称为“杆”。如果以适当的配置排列，它们可以发射6000万安培和600万伏特，理论上足以产生高产核聚变，并具备设计真正电力设施的所有必要参数。
“这是革命性的进步，”桑迪亚的高级科学家和脉冲功率惯性聚变能源计划负责人克雷格·奥尔森说。
新一代型号目前在托木斯克进行测试，传输100万安培，相同电压和速度。已经建造了五台；四台被桑迪亚购买，一台被密歇根大学购买。每台售价16万美元。据监督西伯利亚测试的桑迪亚科学家迈克·马扎拉基斯表示，这些设备都按预期运行，没有任何缺陷。
“这是惊人的成就，”桑迪亚副总裁杰里·约纳斯说，他是Z机器和桑迪亚先进概念组的专家。
新技术的优势
对于桑迪亚的会计师来说，这是一件幸运的事，但对Z机器的摄影师兰迪·蒙托亚的著名照片（充满电弧和火花）来说，这是一件不幸的事，新的开关使目前Z机器中包含的大量水和油的绝缘大池变得过时。电弧通常在水面以上产生，这种现象既受到艺术欣赏，也受到工程师的厌恶，因为它浪费了大量能量。同时，复杂的功率开关装置也被淘汰，这些装置原本用于将初始脉冲从微秒级缩短到纳秒级。
LTD发电机直接在100纳秒的范围内产生脉冲。这得益于其设计，该设计大幅降低了电感，通常会减慢电力传输。
迪伦·麦克丹尼尔检查LTD 250、500和1000千安培电容器层之间的绝缘体。
它部分通过消除Z机器当前的大型板和长电缆，这些电缆都产生了磁场。在新系统中，每个“砖块”几乎没有导线。两个像小保温瓶一样的电容器紧密连接到一个像保鲜盒大小的开关。这使得磁场减缓的机会大大减少。
此外，将“砖块”并联连接到一个腔体中不仅增加了电流，还显著降低了电感，比以前可能的水平还要低。
然后将多个这样的并联子组件串联连接，以增加电压。
这样就得到了一台极其强大的机器，可以快速连续射击，只需要一层薄油覆盖开关的环和线路。
LTD技术比Z机器当前的点火装置效率高50%，在可利用能量与注入能量的比例上。目前Z机器的效率为15%，这已经比聚变的其他解决方案高得多。
然而，这种效率是有代价的。
Z机器的资金历来用于军事目的，与国防有关：它的实验主要是为了产生用于超级计算机模拟的数据，以维持美国核威慑力量的效能、效率和安全性。即使没有重复射击的能力，基于LTD的强大机器仍能更好地模拟核武器的条件，因此实验室爆炸后收集的数据可以更可靠地用于计算机核模拟。美国已经15年没有进行实际核试验了。
重复射击的机器可能会成为未来核聚变电厂的基础，预计在20年内实现。这一领域的进展最终需要能源部“能源”部门的资金。
为了成为可行的解决方案，这个新概念需要5到7年花费3500万美元，建造一个拥有100个腔体的测试平台。如果测试成功，未来的Z机器将基于LTD发电机。
到目前为止，资金的释放来自国会的两项倡议，通过能源部国家核安全管理局的项目，以及来自桑迪亚内部实验室的研究资金，以及桑迪亚的惯性约束聚变计划。
“这就像用乐高积木建造玩具，”马特岑说。“我们认为需要6000万安培才能实现良好的聚变效率。但尽管我们的模拟显示这是可能的，我们只有在制造出来后才能真正知道。”该装置由托木斯克的高压脉冲研究负责人亚历山大·金设计，开关由鲍里斯·科瓦尔丘克开发；从微秒到100纳秒的加速由桑迪亚的迪伦·麦克丹尼尔负责，并得到了他的同事里克·斯皮尔曼和肯·斯特鲁夫的鼓励；该工作由桑迪亚和托木斯克的桑迪亚研究员迈克·马扎拉基斯监督；桑迪亚的测试由比尔·福勒和罗宾·夏普进行；桑迪亚的Z-IFE聚变能源计划由克雷格·奥尔森发起并管理。
LTD的最新开发成果将在2007年6月于新墨西哥州阿尔伯克基举行的国际脉冲功率会议和IEEE聚变工程研讨会上展示。
桑迪亚已为威廉·斯蒂加发明的强脉冲加速器提交了专利申请，该加速器使用LTD系统作为主要电流发生器，以取代传统的马可夫发生器。
桑迪亚是一个多项目实验室，由洛克希德·马丁公司旗下的桑迪亚公司为美国能源部国家核安全管理局管理。桑迪亚在国家安全、能源和环境技术以及经济竞争力方面承担着重大研发责任。
联系桑迪亚新闻和媒体：
内尔·辛格，，（505）845-7078
为了结束这两篇文章，这是J.P. Petit让我为他的网站撰写的，我顺便指出，尽管他最早引起了公众、科学家和……科学记者对这些问题的关注，并提供了许多详细分析和解释（如马尔科姆·海恩斯的论文），但没有人提及这些努力，也没有在网站上提供链接。这并不新鲜，不幸的是，很可能不会改变。
2007年5月21日 **朱利安·杰夫雷 ** --- ---
