АЛЬБУКЕРК, Нью-Мексико. Если бы мощность и температуру, генерируемые недавно ускорителем Z Sandia, изобразить в виде графика цен на акции, брокеры описали бы их как взлетающие до небес и продолжающие расти.
Замечательные результаты испытаний закладывают основу для достижения устойчивых термоядерных реакций, предоставляют данные, помогающие проверить оборону США без физического взрыва крупномасштабных устройств (концепция так называемого научно обоснованного управления запасами), а также продвигают фундаментальные научные исследования. исследования.
Z (ранее называвшийся PBFA-Z) - самый мощный генератор рентгеновского излучения в мире. За последние десять месяцев машина, расположенная в Sandia National Laboratories, увеличила свою мощность более чем в пять раз с 40 до 210 триллионов ватт (тераватт). Потребовалось 25 лет, чтобы несколько ускорителей Sandia достигли мощности 40 тераватт.
Выработка Z теперь в 60 раз превышает мировое потребление электроэнергии в данный момент.
Быстрые прорывы
В самых последних разработках Z в середине июля достигла температуры 1,5 миллиона градусов по Цельсию после того, как в течение многих лет томилась всего на 0,5 миллиона градусов. Для ядерного синтеза требуются температуры от 2 до 3 миллионов градусов.
"Прогресс, которого продолжает добиваться Z-команда, откровенно поразителен", - говорит Джерри Йонас, вице-президент Sandia по исследованиям и технологиям в области информации и импульсной энергии. «Снова и снова команда делала теоретические прогнозы, проводила эксперименты быстрее, чем ожидалось, и попутно вносила улучшения, которые давали даже лучшие результаты, чем предполагалось. Это наука и технология мирового класса».
Говорит Вик Рейс, помощник министра по оборонным программам Министерства энергетики США: «С этим мировым рекордом машина Z еще раз доказывает, что люди в Sandia готовы к вызову научно обоснованного запаса Мои искренние поздравления!"
Рейс называет управление запасами, которому способствует машина Z, «возможно, величайшей научной задачей следующего десятилетия. Это наша основа для поддержания ядерного сдерживания, а также основа для большей части нашего контроля над вооружениями и нераспространения». цели в эпоху после окончания холодной войны. Для этого явно требуются лучшие и самые умные».
Управление требует изучения физики ядерных взрывов и создания в миниатюре эффектов этих взрывов.
Карл Экдаль, руководитель программы физики высоких плотностей энергии в Лос-Аламосской национальной лаборатории, говорит: «Это замечательная работа. Исследователи Sandia опережают график. Они заполняют нишу, которую не заполняет ни одно другое учреждение в мире. Моя программа была и будет одним из крупнейших пользователей Z для физики оружия».
Дэвид Хаммер, профессор физики Корнельского университета, цитировался в выпуске журнала Science от 18 июля: «Я думаю, что то, что они [в Sandia] сделали, впечатляет. Люди только начинают понимать последствия».
Джефф Квинтенз, руководитель программы термоядерного синтеза с инерционным удержанием в Научном центре импульсной энергетики Sandia: «В спектре есть полоса - профиль рентгеновских энергий - которую мы не можем адекватно воспроизвести с помощью современного X -лучевые генераторы. Мы потеряли эту возможность, когда прекратили подземные испытания. Нам нужна эта полоса, чтобы удостовериться, что наши микрочипы защищены от последствий ядерного взрыва. Эти новые результаты Z приближают нас к получению требуемой мощности в соответствующем диапазоне энергий.."
Датчики производят данные для использования в суперкомпьютере Sandia - самом быстром в мире - и в компьютерах в национальных лабораториях Лос-Аламоса и Лоуренса в Ливерморе, чтобы компьютерные коды могли реалистично отображать изменения в сложной физике, связанные с высокоинтенсивными излучениями.. Реалистичные данные необходимы для проверки свойств материалов с использованием итеративной серии прогнозов и экспериментов, которые приближаются к физическим свойствам, пока неизвестным. Эти проверки гарантируют, что компьютеры точно моделируют физический мир, а не делают логические, но неправильные выводы. P> «Самое лучшее, - говорит Дон Кук, директор Научного центра импульсной энергетики, - это то, что если термоядерный синтез будет работать очень экономичным способом, в будущем не будет войн из-за нефти в Персидском заливе или в любом другом месте, и ущерб окружающей среде, причиняемый цивилизацией, будет уменьшен. Надежды были и остаются мечтами ученых и инженеров, занимающихся термоядерным синтезом."
Ближе к высокодоходному синтезу
Подход Sandia к инерционному заключению использует массивные разряды электричества для перегрева миниатюрной печи, называемой хольраум, размером примерно с кубик сахара.
Числовые цифры достижений Z обязательно приблизительны, потому что изменение любого фактора влияет на другие. Но можно сказать, что теперь Z производит примерно 20 процентов энергии, 40 процентов мощности и от 33 до 50 процентов температуры для достижения высокоэффективного синтеза - состояния, в котором создается гораздо больше энергии, чем используется. Особое значение имеет температура, потому что давление, вызывающее основную реакцию, увеличивается пропорционально температуре в четвертой степени.
Хотя температура является самой сложной величиной для Z-ускорителя, «путем дальнейшей оптимизации конфигурации хольраума мы считаем, что можем еще больше повысить его температуру», - говорит Кук. «Если все пойдет хорошо с этими тестами на Z в течение следующих нескольких месяцев - а до сих пор мы преодолели все вехи - на 1.7 миллионов градусов, мы подадим официальный запрос, сначала на проектирование, а затем на создание ускорителя X-1 следующего поколения».
Энергии, мощности и температуры машины следующего поколения будет достаточно для создания термоядерной энергии, необходимой для запуска реакции в ускорителе.
«В рентгеновских лучах эта новая машина будет производить 1000 тераватт мощности, 16 мегаджоулей энергии, от 2 до 3 миллионов градусов по Цельсию и стоить около 300 миллионов долларов», - говорит Кук.
Одно из возможных применений техники Z может быть для ракетной двигательной установки, говорит исследователь Sandia Рик Спилман. «Z генерирует огромную импульсную тягу от части машины высотой в дюйм». Каждый раз, когда одна драйвовая таблетка сгорает, другая кладется на место и поджигается. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Почему такой бешеный прорывной темп?
Первый прорыв произошел, когда ученые Sandia поняли, что почти заброшенный метод сорокалетней давности - прохождение огромного электрического тока через проволочную клетку размером с наперсток - может производить значительно больше энергии в виде Рентгеновские ученые значительно увеличили количество проводов-наперстков - с 30 до 300 - по которым проходит ток.
В определенных пределах, чем больше проводов доступно, тем более однородно магнитное поле. Поле равномерно схлопывается с огромной скоростью, когда провода испаряются и превращаются в плазму. Атомы, попавшие в коллапсирующее поле, ускоряются, а затем внезапно тормозятся до полной остановки - деваться некуда - когда равномерно сжимающееся магнитное поле достигает диаметра, примерно равного толщине грифеля механического карандаша. Внезапная остановка генерирует тепло, подобно тому, как шины быстро движущегося автомобиля нагреваются при резком торможении. В то время как тепло от шин генерируется на частотах в инфракрасном диапазоне, гораздо более быстрое торможение плазмы в сжимающемся магнитном поле производит тепло на более высоких частотах излучения - как это бывает, в рентгеновском диапазоне.
Хотя настройка входных энергий и проволочных массивов может повысить выходную мощность даже больше, чем 1,5 миллиона градусов, нынешняя схема не обязательно позволит достичь температуры плавления, говорит Кук.
Но, поместив очень тонкостенный золотой цилиндр внутрь проволочной клетки, Кук предвидит нагрев примерно в 1.7 миллионов градусов из-за нагревательных эффектов взрывающегося магнитного поля и плазмы, ударяющей о стенки цилиндра толщиной в три микрона. По словам Кука, «температура повышается по мере уменьшения размера контейнера для радиации».
Если это сработает, «мы проведем эксперименты, чтобы показать, что можем получить симметрию в создаваемом потоке рентгеновского излучения - адекватную симметрию для управления высокоэффективной термоядерной реакцией при масштабировании до уровня X-1». Симметрия важна, потому что без нее не вся энергия поступает в одно и то же место в одно и то же время, что ослабляет воздействие.
Успешное завершение этих экспериментов будет означать, что все непредвиденные обстоятельства были проверены на машине Z и установлено, что они работают правильно.
В этот момент запрос на сборку машины X-1 будет отправлен в Министерство энергетики.
Если это будет разрешено, команда Sandia продвинется вперед по пути к синтезу.