Z macchina

La macchina Z è un generatore di raggi X pulsati ultracompatto e ad alta velocità, il più potente al mondo negli anni 2010 . È installato nei locali dei laboratori Sandia ad Albuquerque , New Mexico ( Stati Uniti ). Progettato per sottoporre i materiali a condizioni estreme di temperatura e pressione, viene utilizzato principalmente allo scopo di raccogliere i dati necessari per la simulazione al computer di armi nucleari . Apre nuove prospettive nello studio della fusione nucleare perché crea temperature di diversi miliardi di gradi.

Principio di funzionamento

Il dispositivo sperimentale è costituito da una gabbia cilindrica (o hohlraum ) contenente al centro un bersaglio cilindrico, alla periferia diverse centinaia di fili più fini di un capello (originariamente in tungsteno ), l'interno può contenere anche una "schiuma" appositamente adattata a questo uso. Sono state testate numerose varianti della configurazione e della composizione dei fili, con l'obiettivo di migliorare i risultati ottenuti.

Il processo comprende diverse fasi successive che sono collegate in pochi nanosecondi . In modo semplificato, può essere descritto come segue:

Attraverso il figlio viene fatta passare una corrente elettrica estremamente forte (venti milioni di ampere ), creando un campo magnetico che interagisce con il figlio vicino come una forza di Lorentz : . Grazie alla geometria della gabbia cilindrica, i fili convergeranno verso il centro del cilindro assemblato lungo l'asse del sistema. La velocità di convergenza raggiunge i 600 km/s . Ciò dà origine ad un cordone di plasma con un diametro dell'ordine di un millimetro e mezzo; ${\ displaystyle \ mathbf {F} = I {\ boldsymbol {\ ell}} \ times \ mathbf {B}}$

questa costrizione del plasma proietta gli ioni e gli elettroni verso l'asse della cavità, fino ad un “punto di arresto” che non possono superare; la loro energia cinetica viene poi trasformata in energia elettromagnetica ( radiazione di frenatura elettronica), sotto forma di "flash" di raggi X;
il flash X, per un fenomeno di onda d'urto , comprime violentemente il bersaglio.

L'impulso elettrico è prodotto da un insieme di trentasei generatori Marx che immagazzinano la loro energia in serbatoi pieni d'acqua svolgendo il ruolo di condensatori . Questi generatori sono attivati da spinterometri che consentono una scarica elettrica estremamente potente in una frazione di secondo.

Storia di esperienze

I primi esperimenti con la macchina Z sono stati effettuati nel 1996 ; hanno prodotto raggi X con una potenza superiore a 200 terawatt (200 × 10 12 W ).
L'utilizzo di due schiere di fili concentriche invece di una, ha portato nel 1997 la potenza irradiata a 290 terawatt, corrispondenti ad una temperatura di 1,8 milioni di gradi.
Il primo esperimento riuscito di fusione del deuterio nella macchina Z è stato annunciato inaprile 2003 ; la temperatura raggiunta era dell'ordine di 11,6 milioni di gradi, essendo stato ridotto il diametro della capsula di combustibile da 2 a 0,16 mm (160 micrometri ) in 7 nanosecondi (7 × 10 -9 s ).
Il 8 marzo 2006, Sandia annuncia in un comunicato stampa ufficiale di aver accidentalmente ottenuto un plasma con una temperatura superiore a 2 miliardi di Kelvin nella macchina Z . Il responsabile del progetto Chris Deeney ha aggiunto di aver ripetuto l'esperimento diverse volte per convalidare il risultato.
Il 2 novembre 2006, Sandia annuncia in un comunicato stampa ufficiale i progressi compiuti sulle capsule di diamante che alla fine consentiranno di contenere il combustibile nucleare.
Il 24 aprile 2007Sandia annuncia che la macchina Z drogata generatori LTD (en) ( Linear Transformer Driver ) può funzionare con impulsi ultra-corti, che si avvicinano di un passo a un generatore di fusione ad alta efficienza.

Due miliardi di Kelvin

All'inizio del 2006, la macchina Z ha prodotto plasma a temperature superiori a 2 miliardi annunciato gradi Kelvin ( 2 x 10 9 K ), raggiungendo un picco di 3,7 x 10 9 K . È stato ottenuto in parte sostituendo i fili di tungsteno con fili di acciaio più spessi. Questa temperatura, che consente un'efficienza dal 10 al 15% nella conversione dei raggi X, è molto più alta del previsto (da tre a quattro volte l'energia cinetica dei fili in ingresso sull'asse).

Questa temperatura è stata stabilita con due metodi diversi. Da un lato dalla relazione Bennett (en) che fornisce una temperatura di 3,44 miliardi di Kelvin e dall'altro, dalla linea allargamento metodo che dà 3,7 miliardi Kelvin ( 320 keV ).

Nuove prospettive

Negli esperimenti effettuati nel 2004 e nel 2005 resi pubblici da Sandia inmarzo 2006, l'aumento del diametro della rete metallica e la sostituzione dei fili di tungsteno con fili di acciaio hanno permesso di misurare temperature ioniche da 2 a 3 miliardi di gradi nei plasmi prodotti . Sono molto più alte delle temperature richieste per la fusione degli atomi di idrogeno , deuterio o trizio , e permetterebbero, in teoria se non in pratica, la fusione di atomi di idrogeno con atomi più pesanti come il litio o il boro ; queste due reazioni hanno il vantaggio di essere veramente pulite, in quanto non producono né neutroni né scorie radioattive ( fusione aneutronica ), il che non è il caso delle reazioni a base di deuterio e trizio .

Per la prima volta, la potenza irradiata superava (di un fattore da 3 a 4) la stima dell'energia cinetica sviluppata durante la compressione del plasma. L'origine di questa energia aggiuntiva rimane incerta, perché sono stati pubblicati solo rari tentativi di spiegazione.
La prima data è quella di Malcolm Haines, professore e ricercatore di fisica del plasma presso l' Imperial College di Londra ; evidenzia la possibile comparsa, durante la fase finale della costrizione, di una miriade di microinstabilità magnetoidrodinamiche la cui energia cinetica verrebbe trasferita agli ioni, aumentando così la temperatura del plasma, quindi agli elettroni, che rilascerebbero emettendo x - raggi .

Sono in fase di sperimentazione nuovi dispositivi per il rinnovamento della Z-machine, come il dispositivo Thor che faciliterebbe il raggiungimento di pressioni che consentano la fusione.

evoluzioni

La macchina ZR , o macchina Z-Refurbished , è la versione più efficiente della macchina Z (ventisei milioni di ampere). La sua attività è iniziata nel primo trimestre del 2007.

Altri siti che sviluppano esperienze simili

Installazioni simili alla macchina Z esistono in altri paesi:

in Cina , il generatore QIANGGUANG-I del NINT ( Northwest Institute of Nuclear Technology ), vicino a Xi'an ( Shaanxi );
in Francia , il generatore SPHINX (ex generatore ECF del progetto SYRINX ) dal centro di prova Gramat ( Lot );
in Gran Bretagna , il generatore GAZZA (in) di Imperial College di Londra ;
in Russia , il generatore GIT-12 dell'Istituto di elettronica ad alta corrente di Tomsk .

Note e riferimenti

(in) " Z, When It Fires, è già il più grande produttore di raggi X sulla Terra " ( Impulso a fuoco rapido avvicina il metodo Sandia Z all'obiettivo del reattore a fusione ad alto rendimento ).
(in) La Z Machine di Sandia supera i due trilioni di gradi Kelvin .
(in) Z La macchina fonde il diamante in una pozzanghera .
(it) Impulso a fuoco rapido Avvicina il metodo Sandia Z all'obiettivo del reattore a fusione ad alto rendimento - 24 aprile 2007 .
M. G. Haines , PD LePell , CA Coverdale , B. Jones , C. Deeney e JP Apruzese , " Ion Viscous Heating in a Magnetohydrodynamically Unstable Pinch at Over 2 × 10 9 Kelvin ", Physical Review Letters , vol. 96, n . 7,23 febbraio 2006, pag. 075003 ( DOI 10.1103/PhysRevLett.96.075003 , Bibcode 2006PhRvL..96g5003H , leggi online [PDF] )
Un documento [PDF] aveva riportato questo fenomeno nel 2004, ma le temperature non erano ancora state misurabili con certezza.
Un'altra spiegazione è stata avanzata da un team tedesco in questo articolo [PDF] .
Riassunto della pubblicazione di Malcolm Haines (23 febbraio 2006).
Presentazione e analisi in francese dell'articolo di Malcolm Haines [PDF] di Jean-Pierre Petit (25 maggio 2006).
(in) Sandia Labs , " Sandia National Laboratories: Thor's hammer. . . » , Su Sandia Labs ,25 novembre 2015(consultato il 26 aprile 2019 )
La scarsità di documenti accessibili non permette di avere la certezza che sia paragonabile alla macchina Z. I documenti [PDF] e [1] aiuteranno a formare un'opinione.
capitolo della tesi di Mathias Bavay (8 luglio 2002) che tratta del generatore ECF del progetto SYRINX .
Descrizione del generatore SPHINX [PDF] in un documento presso il X ° megagauss Conferenza.
Presentazione del generatore MAGPIE .
Contiene informazioni sul generatore al capitolo V della tesi di Dominique Huet [PDF] .