35°02′08″N 106°32′33″O / 35.035451°N 106.542522°W / 35.035451; -106.542522
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La Instalación de Energía Pulsada Z , conocida informalmente como máquina Z o Z , [1] es el generador de ondas electromagnéticas de alta frecuencia más grande del mundo y está diseñada para probar materiales en condiciones de temperatura y presión extremas. Originalmente se llamó PBFA-II y fue creado en 1985. Desde su remodelación en octubre de 1996 [2] se ha utilizado principalmente como una instalación de investigación de fusión por confinamiento inercial (ICF). Operado por los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México , recopila datos para ayudar en el modelado por computadora de armas nucleares y eventuales plantas de energía pulsada de fusión .
Los orígenes de la máquina Z se remontan a la necesidad del Departamento de Energía de replicar las reacciones de fusión de una bomba termonuclear en un entorno de laboratorio para comprender mejor la física involucrada.
Desde la década de 1970, el Departamento de Energía había estado investigando formas de generar electricidad a partir de reacciones de fusión , con reacciones continuas como los tokamaks o la fusión discreta de pequeñas bolas de átomos ligeros. Dado que en aquella época los láseres estaban lejos de tener la potencia necesaria, el principal enfoque considerado fue la fusión de iones pesados (HIF). [3] Sin embargo, avances importantes como el cambio Q y el bloqueo de modo hicieron de los láseres una opción (que culminó en la Instalación Nacional de Ignición ) y los programas HIF quedaron más o menos inactivos. En 1985, la revisión del programa del Departamento de Energía por parte de las Academias Nacionales [4] declaró: "La crisis energética está latente por el momento". Se encargó a las máquinas HIF ayudar a la investigación militar a mejorar las bombas nucleares .
La primera investigación en Sandia se remonta a 1971 [5] , donde Gerold Yonas [6] [7] inició y dirigió el programa de fusión de haces de partículas. Las primeras partículas en las que se pensó fueron los electrones, porque los aceleradores de energía pulsados de la época ya los habían concentrado a alta potencia en áreas pequeñas. Sin embargo, poco después se descubrió que los electrones no podían calentar el combustible de fusión con la suficiente rapidez para ese propósito. Luego, el programa se alejó de los electrones en favor de los protones. Estos resultaron ser demasiado ligeros para controlarlos lo suficientemente bien como para concentrarse en un objetivo, y el programa pasó a los iones ligeros, el litio. Los nombres de los aceleradores reflejan el cambio de énfasis: primero el nombre del acelerador fue EBFA-I (acelerador de fusión por haz de electrones), poco después PBFA-I, que se convirtió en Saturno. Los protones exigieron otro acelerador, PBFA-II, que se convirtió en Z.
En la edición de diciembre de 1976 de Popular Science [8] y en las actas de conferencias de 1976 publicadas en 1977, un artículo titulado "Particle Beam Fusion Research" [9] describió los primeros trabajos y las máquinas de primera generación: Hydra (1972); Proto I (1975); Proto II (1977); EBFA/PBFA (acelerador de fusión de haz electrónico/acelerador de fusión de haz de partículas) (1980).
En 1985 se creó el PBFA-II. [10] [11] Sandia continuó apuntando a la fusión de iones pesados a un ritmo lento a pesar del informe de las Academias Nacionales.
La edición de noviembre de 1978 de Scientific American publicó el primer artículo de Yonas para el público en general, "Poder de fusión con haces de partículas". [12]
Mientras tanto, en Sandia también se estaban llevando a cabo investigaciones relacionadas con la defensa con la máquina Hermes III y Saturn (1987), mejorada a partir de PBFA-I, que operaba con una potencia total menor que la PBFA-II pero avanzó los conocimientos de Sandia en alto voltaje y alta corriente y fue por lo tanto, un útil predecesor de la máquina Z.
En 1996, el ejército estadounidense publicó un informe [13] sobre el desmantelamiento del simulador de radiación pulsada Aurora . Este informe es útil para comprender los vínculos entre las pruebas de armas nucleares y la investigación sobre la energía de fusión inercial.
También en 1996, la máquina PBFA-II fue nuevamente actualizada [14] a PBFA-Z [2] o simplemente "máquina Z", descrita por primera vez al público en general en agosto de 1998 en Scientific American . [15] [16]
La máquina Z utiliza el conocido principio de pellizco en Z , donde la rápida descarga de condensadores a través de un tubo de plasma hace que las fuerzas de Lorentz resultantes lo compriman hacia su línea central . Bennet investigó con éxito la aplicación de pellizcos en Z a la compresión de plasma. La disposición de la máquina Z es cilíndrica. En el exterior alberga enormes condensadores que se descargan a través de generadores Marx que generan un pulso de alto voltaje de un microsegundo. Luego, Yonas utiliza un sistema para dividir este tiempo por un factor de 10, utilizando el poder dieléctrico del agua, para permitir la creación de descargas de 100 ns.
Sin embargo, este esfuerzo no tuvo éxito en el caso de Heavy Ion Fusion, debido a la falta de suficiente enfoque de los haces, a pesar de la alta potencia utilizada. Se sabía desde hacía mucho tiempo que las fuerzas de Lorentz eran radiales, pero el flujo de corriente era muy inestable y giraba a lo largo del cilindro, lo que provoca la torsión del tubo que implosiona, disminuyendo así la calidad de la compresión.
Un científico ruso, Valentin Smirnov , tuvo entonces la idea de sustituir el tubo (llamado "liner") por un conjunto de cables, para combatir el flujo azimutal de la corriente y, por tanto, luchar contra la inestabilidad de la Magnetohidrodinámica (MHD). Las instalaciones Angara V [17] del Instituto Kurchatov se construyeron por la misma razón: ayudar a simular y diseñar la segunda etapa de bombas de hidrógeno y probar el efecto de los rayos X de alta potencia en las ojivas de los misiles nucleares. El espacio dentro del conjunto de cables se rellenó con poliestireno, lo que ayuda a homogeneizar el flujo de rayos X.
Cualquier país que desarrolle armas termonucleares tiene su propia máquina Z, pero aquellos que no utilizan líneas de agua tenían pulsos crecientes prolongados (por ejemplo, 800 ns en la Esfinge, la máquina francesa en Gramat ). En el Reino Unido, la máquina Magpie [18] estaba situada en el Imperial College bajo el control de Malcolm Haines .
Al quitar el núcleo de poliestireno, Sandia pudo obtener un delgado cordón de plasma de 1,5 mm por el que fluían 10 millones de amperios con 90 megabares de presión. [ cita necesaria ]
Los atributos clave de la máquina Z de Sandia [19] son sus 18 millones de amperios y un tiempo de descarga de menos de 100 nanosegundos . El conjunto de alambres de tungsteno se denomina "revestimiento". [20] En 1999, Sandia probó la idea de conjuntos de cables anidados; [21] la segunda matriz, desfasada con la primera, compensa las inestabilidades de Rayleigh-Taylor . En 2001, Sandia introdujo el láser Z-Beamlet (de un equipo excedente de la Instalación Nacional de Ignición ) como una herramienta para obtener mejores imágenes del pellet comprimido. [22] Esto confirmó la uniformidad de la forma de los gránulos comprimidos por la máquina Z.
Sandia anunció la fusión de pequeñas cantidades de deuterio en la máquina Z el 7 de abril de 2003. [23]
Además de utilizarse como generador de rayos X, la máquina Z propulsaba pequeñas placas a 34 kilómetros por segundo, más rápido que los 30 kilómetros por segundo que viaja la Tierra en su órbita alrededor del Sol , y cuatro veces la velocidad de escape de la Tierra (3 veces la velocidad de escape de la Tierra en el nivel del mar). [24] También creó con éxito un "hielo caliente" hiperdenso especial conocido como hielo VII , comprimiendo rápidamente agua a presiones de 70.000 a 120.000 atmósferas (7 a 12 GPa ). [25] El impacto mecánico causado por el impacto de proyectiles acelerados por la máquina Z puede derretir los diamantes. [26]
Se puede encontrar una buena visión general de las diferentes misiones de la máquina Z en el informe del comité Trivelpiece de 2002 [27] que revisó las actividades de energía pulsada en Sandia.
Durante este período la potencia de los rayos X producidos salta de 10 a 300TW. [28] Para alcanzar el siguiente hito del punto de equilibrio de la fusión, era necesaria otra actualización [29]
En 2004 se anunció un programa de modernización de 60 millones de dólares (aumentado a 90 millones de dólares) llamado ZR (Z Refurbished) para aumentar su potencia en un 50%. La máquina Z fue desmantelada en julio de 2006 para esta actualización, incluida la instalación de hardware y componentes de nuevo diseño y generadores Marx más potentes . La sección de agua desionizada de la máquina se ha reducido a aproximadamente la mitad del tamaño anterior, mientras que la sección de aceite se ha ampliado significativamente para albergar líneas de almacenamiento intermedias más grandes (i-stores) y nuevas torres láser, que solían estar en el sección de agua. La renovación se completó en octubre de 2007. [30] La máquina Z más nueva ahora puede disparar alrededor de 26 millones de amperios [31] (en lugar de los 18 millones de amperios anteriores) en 95 nanosegundos. La potencia radiada se ha elevado a 350 teravatios y la producción de energía de rayos X a 2,7 megajulios . Sin embargo , aún no se conoce la temperatura máxima que la nueva versión puede alcanzar con el mismo revestimiento de alambre de acero inoxidable que posee el récord y que se usó en 2005.
Las temperaturas ultraaltas alcanzadas en 2006 (de 2,66 a 3,7 mil millones de Kelvin) son mucho más altas que las necesarias para la fusión clásica de hidrógeno , deuterio y tritio considerada anteriormente. Podrían permitir, en teoría si no en la práctica, la fusión de átomos ligeros de hidrógeno con átomos más pesados como el litio o el boro . Estas dos posibles reacciones de fusión no producen neutrones y, por tanto, no producen radiactividad ni residuos nucleares , por lo que abren la posibilidad de una fusión aneutrónica limpia creada por el hombre . [ cita necesaria ]
La hoja de ruta de Sandia incluye otra versión de máquina Z llamada ZN (Z Neutron) para probar mayores rendimientos en sistemas de automatización y energía de fusión. Está previsto que ZN proporcione entre 20 y 30 MJ de potencia de fusión de hidrógeno con un disparo por hora utilizando un controlador de transformador lineal (LTD) ruso que reemplaza a los actuales generadores Marx. [32] Después de 8 a 10 años de funcionamiento, ZN se convertiría en una planta piloto de transmutación capaz de realizar un disparo de fusión cada 100 segundos. [33]
El siguiente paso previsto sería la instalación de pruebas Z-IFE (energía de fusión inercial Z), el primer prototipo de planta de energía de fusión verdaderamente impulsado por z-pinch. Se sugiere que integraría los últimos diseños de Sandia utilizando LTD. Sandia Labs propuso recientemente una planta de energía LTD Z-pinch conceptual de 1 petavatio (10,15 vatios ), donde la descarga eléctrica alcanzaría los 70 millones de amperios. [34] A partir de 2012, las simulaciones de disparos de fusión a 60 a 70 millones de amperios muestran un retorno de la energía de entrada de 100 a 1000 veces. Las pruebas con el diseño actual máximo de la máquina Z de 26 a 27 millones de amperios estaban programadas para comenzar en 2013. [35] [36] [ se necesita aclaración ]
El proyecto Z-IFE de Sandia Laboratories [37] tiene como objetivo resolver las dificultades prácticas a la hora de aprovechar la energía de fusión. Los principales problemas incluyen producir energía en un solo disparo en Z y recargar rápidamente el reactor después de cada disparo. Según sus primeras estimaciones, una implosión de una cápsula de combustible cada 10 segundos podría producir económicamente 300 MW de energía de fusión.
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