35°02′08″N 106°32′33″O / 35.035451°N 106.542522°W / 35.035451; -106.542522
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La Z Pulsed Power Facility , conocida informalmente como la máquina Z o Z , [1] es el generador de ondas electromagnéticas de alta frecuencia más grande del mundo y está diseñado para probar materiales en condiciones de temperatura y presión extremas. Originalmente se llamó PBFA-II y se creó 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). Operada por Sandia National Laboratories en Albuquerque, Nuevo México , recopila datos para ayudar en el modelado por computadora de armas nucleares y eventuales plantas de energía de pulso 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 buscando formas de generar electricidad a partir de reacciones de fusión , con reacciones continuas como tokamaks o fusión discreta de pequeñas bolas de átomos ligeros. Dado que en ese momento los láseres estaban lejos de tener la potencia requerida, el principal enfoque considerado fue la fusión de iones pesados (HIF). [3] Sin embargo, avances importantes como la conmutación Q y el bloqueo de modos hicieron de los láseres una opción (culminando 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". Las máquinas HIF fueron encargadas de ayudar a la investigación militar a mejorar las bombas nucleares .
Las primeras investigaciones en Sandia se remontan a 1971 [5], cuando Gerold Yonas [6] [7] inició y dirigió el programa de fusión de haces de partículas. Los electrones fueron las primeras partículas en las que se pensó, porque los aceleradores de potencia pulsada de la época ya los habían concentrado a alta potencia en áreas pequeñas. Sin embargo, poco después se comprendió que los electrones no podían calentar el combustible de fusión con la suficiente rapidez para ese propósito. El programa se alejó entonces de los electrones en favor de los protones. Estos resultaron ser demasiado ligeros para controlarlos lo suficiente como para concentrarlos 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 de haces de electrones), poco después PBFA-I, que se convirtió en Saturno. Los protones exigieron otro acelerador, PBFA-II, que se convirtió en Z.
En el número de diciembre de 1976 de Popular Science [8] y en las actas de la conferencia de 1976 publicadas en 1977, un artículo titulado "Investigación sobre fusión por haz de partículas" [9] describió el trabajo inicial y las máquinas de primera generación: Hydra (1972); Proto I (1975); Proto II (1977); EBFA/PBFA (acelerador de fusión por haz electrónico/acelerador de fusión por 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.
El número de noviembre de 1978 de Scientific American publicó el primer artículo de Yonas para el público en general, "Energía de fusión con haces de partículas". [12]
Mientras tanto, en Sandia también se llevaban a cabo investigaciones relacionadas con la defensa con la máquina Hermes III y Saturn (1987), mejorada a partir de la PBFA-I, que operaba a una potencia total menor que la PBFA-II pero que hacía avanzar el conocimiento de Sandia en alto voltaje y alta corriente y, por lo tanto, era un predecesor útil de la máquina Z.
En 1996, el ejército de los Estados Unidos 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 energía de fusión inercial.
También en 1996, la máquina PBFA-II fue actualizada nuevamente [14] y convertida en PBFA-Z [2] o simplemente "máquina Z", descrita por primera vez al público general en agosto de 1998 en Scientific American . [15] [16]
La máquina Z utiliza el conocido principio de Z-pinch , en el que la descarga rápida de condensadores a través de un tubo de plasma hace que este se comprima hacia su línea central por las fuerzas de Lorentz resultantes . Bennet investigó con éxito la aplicación de Z-pinch a la compresión de plasma. El diseño de la máquina Z es cilíndrico. 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 la fusión de iones pesados debido a la falta de una concentración suficiente 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 provocaba la torsión del tubo que implosionaba, lo que reducía 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 luchar contra el flujo azimutal de la corriente, y por tanto luchar contra la inestabilidad magnetohidrodinámica (MHD). La instalación Angara V [17] del Instituto Kurchatov se había construido con la misma razón: ayudar a simular y diseñar la segunda etapa de las 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, que ayuda a homogeneizar el flujo de rayos X.
Todo país que desarrolla armas termonucleares tiene su propia máquina Z, pero aquellos que no utilizan líneas de agua tienen pulsos ascendentes largos (por ejemplo, 800 ns en la Sphinx, la máquina francesa de Gramat ). En el Reino Unido, la máquina Magpie [18] estaba situada en el Imperial College bajo el control de Malcolm Haines .
Al retirar el núcleo de poliestireno, Sandia pudo obtener un fino cordón de plasma de 1,5 mm en el que fluían 10 millones de amperios con 90 megabares de presión. [ cita requerida ]
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 cables de tungsteno se llama "liner". [20] En 1999, Sandia probó la idea de conjuntos de cables anidados; [21] el segundo conjunto, desfasado con el primero, compensa las inestabilidades de Rayleigh-Taylor . En 2001, Sandia introdujo el láser Z-Beamlet (de equipo sobrante de la National Ignition Facility ) como herramienta para obtener mejores imágenes del pellet comprimido. [22] Esto confirmó la uniformidad de la forma de los pellets 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 ser utilizada 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 recorre la Tierra en su órbita alrededor del Sol , y cuatro veces la velocidad de escape de la Tierra (3 veces la del nivel del mar). [24] También creó con éxito un "hielo caliente" hiperdenso especial conocido como hielo VII , al comprimir rápidamente el agua a presiones de 70.000 a 120.000 atmósferas (7 a 12 GPa ). [25] El choque mecánico de los proyectiles acelerados por la máquina Z que impactan es capaz de derretir diamantes. [26]
Una buena descripción general de las diferentes misiones de la máquina Z se puede encontrar 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 produjo saltos de 10 a 300 TW. [28] Para alcanzar el siguiente hito del punto de equilibrio de la fusión, fue necesaria otra actualización [29].
En 2004 se anunció un programa de modernización de 60 millones de dólares (que se elevó a 90 millones) llamado ZR (Z Refurbished) para aumentar su potencia en un 50%. La máquina Z se desmanteló 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 intermedio más grandes (i-stores) y nuevas torres láser, que solían estar en la sección de agua. La renovación se completó en octubre de 2007. [30] La nueva máquina Z 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 salida de energía de rayos X a 2,7 megajulios . Sin embargo, aún no se conoce la temperatura máxima que puede alcanzar la nueva versión con el mismo revestimiento de alambre de acero inoxidable que posee el mismo récord utilizado en 2005.
Las temperaturas ultraaltas alcanzadas en 2006 (2.660 a 3.700 millones de kelvin) son mucho más altas que las requeridas para la fusión clásica de hidrógeno , deuterio y tritio considerada anteriormente. Podrían permitir, en teoría si no en la práctica, la fusión de átomos de hidrógeno ligero con átomos más pesados como el litio o el boro . Estas dos posibles reacciones de fusión no producen neutrones y, por lo tanto, no producen radiactividad ni residuos nucleares , por lo que abren la posibilidad de una fusión aneutrónica limpia creada por el hombre . [ cita requerida ]
La hoja de ruta de Sandia incluye otra versión de la máquina Z llamada ZN (Z Neutron) para probar mayores rendimientos en sistemas de automatización y energía de fusión. Se planea que ZN proporcione entre 20 y 30 MJ de energía de fusión de hidrógeno con un disparo por hora utilizando un Transformador Lineal Ruso (LTD) que reemplaza a los generadores Marx actuales. [32] Después de 8 a 10 años de operación, ZN se convertiría en una planta piloto de transmutación capaz de realizar un disparo de fusión cada 100 segundos. [33]
El siguiente paso planeado sería la instalación de pruebas Z-IFE (energía de fusión inercial Z), el primer prototipo de planta de energía de fusión impulsada 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 100 a 1000 veces sobre la energía de entrada. Las pruebas en el máximo de diseño actual de la máquina Z de 26-27 millones de amperios estaban programadas para comenzar en 2013. [35] [36] [ aclaración necesaria ]
El proyecto Z-IFE de Sandia Laboratories [37] tiene como objetivo resolver las dificultades prácticas que presenta el aprovechamiento de la energía de fusión. Entre los principales problemas se encuentran la producción de energía en una única inyección Z-pinch y la rápida recarga del reactor después de cada inyección. Según sus primeras estimaciones, una implosión de una cápsula de combustible cada 10 segundos podría producir de forma económica 300 MW de energía de fusión.
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