Z-machine
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It's an abstract focusing on the z-machine and related science, (future insights, prospective), that could be expected for a such machine. Its main objective is to collect and order the maximum contents on the z-machine.
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News | Nouveautés
- Z-pinch (article)
- Z-machine generalities (this page)
Description
Template:Fr La Z machine dans les Laboratoires Sandia d'Albuquerque. En raison des tensions et des intensités extrêmement élevées utilisées, l'impulsion électrique créée lors de chaque expérience provoque des arcs électriques impressionnants, visibles autour des nombreux objets métalliques de la salle. Photo : Sandia National Laboratories, publiée avec leur aimable autorisation.
File:Flag-en-ss.gif The Z machine is the largest X-ray generator in the world and is designed to test materials in conditions of extreme temperature and pressure. It is operated by Sandia National Laboratories to gather data to aid in computer modeling of nuclear weapons. The Z machine is located at Sandia's main site in Albuquerque, New Mexico.
Template:Fr La Z machine est le plus puissant générateur de rayons X au monde. Elle est implantée dans les locaux du site principal des Laboratoires Sandia à Albuquerque au Nouveau Mexique. Conçue pour contrôler des matériaux soumis à des conditions extrêmes de température et de pression, elle est principalement utilisée dans le but de rassembler les données nécessaires à la simulation informatique des armes nucléaires.
Elle a également permis, grâce à des expérimentations récentes, d'ouvrir de nouvelles perspectives dans le domaine de l'énergie de fusion.
Principles | Principes
Template:En The machine operates by releasing an electrical pulse and associated magnetic field. The energy from a 20-million-ampere electrical discharge vaporizes an array of thin tungsten wires and a powerful magnetic field crushes the ensuing plasma. The collapsing plasma produces X-rays which create a shock wave that bears on the material being tested. The powerful fluctuation in the magnetic field (or "electromagnetic pulse") also generates electric current in all of the metallic objects in the room (see picture at right).
It gets its name because current travels vertically into the target, which is conventionally the z axis (x and y being horizontal, see Z-pinch).
Originally designed to supply 50 terawatts of power in one fast pulse, technological advances allowed this to increase to 290 terawatts, enough to study nuclear fusion. Z releases 80 times the world's electrical power usage for a few trillionths of a second. However, only a small amount of electricity is consumed for each test (equal to the usage of 100 houses for two minutes). Marx generators are slowly charged with energy prior to firing.
Sandia announced the fusing of deuterium in the Z machine on April 7, 2003. A 60 million dollar refurbishment program was announced in 2004 that will raise the power output to 350 terawatts. The X-ray output will be 2.7 megajoules.
The Z Machine is now able to propel small plates at 34 kilometers a second, faster than the 30 kilometers per second that Earth travels in its orbit around the Sun, and three times Earth's escape velocity.
In 2006, the Z Machine produced plasmas with temperatures in excess of 2 GK (109 K) or 3.6 billion oF. This temperature, corresponding to a 10 to 15% efficiency in converting electrical energy to soft x-rays, was much higher than anticipated. It is theorized that small-scale turbulence and viscous damping are converting magnetic energy into thermal energy of the ions, which then transfer their energy to the electrons through collisions.
Template:Fr Le dispositif expérimental est constitué d'une cage cylindrique (ou « hohlraum ») contenant en son centre une cible cylindrique, en périphérie plusieurs centaines de fils plus fins qu'un cheveu (à l'origine en tungstène), l'intérieur pouvant en outre contenir une « mousse » spécialement adaptée à cet usage. De nombreuses variantes de la configuration et de la composition des fils ont été expérimentées, dans le but d'améliorer les résultats obtenus.
Le processus comporte plusieurs phases successives qui s'enchaînent en quelques nanosecondes. De façon simplifiée, on peut le décrire ainsi :
- Un courant électrique extrêmement intense (20 millions d'ampères) est envoyé à travers les fils, ce qui provoque la vaporisation quasi instantanée de chacun d'eux, donnant ainsi naissance à un tube cylindrique de plasma.
- Le courant électrique, qui continue à augmenter, passe dès lors dans le tube de plasma conducteur; le champ magnétique associé soumet le plasma à des forces de Laplace qui entraînent par pincement sa contraction violente en un cylindre uniforme; l'instabilité potentielle du tube due à un pincement irrégulier est limitée par divers paramètres, dont la brièveté des décharges électriques et une configuration optimale des fils.
- Lors de la constriction du plasma, les ions et les électrons sont projetés vers l'axe de la cavité, jusqu'à un « point d'arrêt » qu'ils ne peuvent pas dépasser; leur énergie cinétique est alors transformée en énergie électromagnétique (rayonnement de freinage), sous la forme d'un « flash » de rayons X; ce dernier, par un phénomène d'onde de choc, comprime violemment la cible.
L'impulsion électrique est produite par un ensemble de 36 générateurs de Marx qui puisent leur énergie dans des cuves remplies d'eau jouant le rôle de condensateurs.
Historic | Historique
- Les premières expériences avec la Z machine ont été menées en 1996; elles ont produit un rayonnement X d'une puissance supérieure à 200 térawatts (200x1012 watts).
- L' utilisation de deux réseaux concentriques de fils au lieu d'un seul a porté en 1997 la puissance rayonnée à 290 térawatts, correspondant à une température de 1,8 millions de degrés.
- La première expérience réussie de fusion de deutérium dans la Z machine a été annoncée en avril 2003; la température atteinte était de l'ordre de 11,6 millions de degrés, le diamètre de la capsule de combustible ayant été réduit de 2 mm à 0,16mm (160 micromètres) en 7 nanosecondes (7x10-9 s).
- Le 8 mars 2006, Sandia annonce dans un communiqué officiel avoir obtenu accidentellement un plasma d'une température supérieure à 2 milliards de degrés au sein de la Z-Machine. Le responsable de projet Chris Deeney a ajouté avoir reproduit plusieurs fois l'expérience afin d'en valider le résultat.
Future insights | Perspectives
Template:Fr Dans des expériences récentes (2005) dont les résultats ont été rendus publics par Sandia en mars 2006, l'augmentation du diamètre du réseau de fils et le remplacement des fils de tungstène par des fils d'acier ont permis la production de plasmas de températures supérieures à 2 milliards de degrés (2x109). Aucun dispositif de conception humaine n'avait permis jusqu'à présent d'atteindre, de façon avérée, de telles températures, bien plus élevées que celles du cœur des étoiles de taille moyenne (de l'ordre de 107 à 108 degrés), et même proches de celles des supernovæ (de l'ordre de 1010 degrés). Elles sont très largement supérieures aux températures requises pour la fusion des atomes d'hydrogène, deutérium ou tritium, et permettraient, en théorie sinon en pratique, la fusion d'atomes d'hydrogène avec des atomes plus lourds comme le lithium ou le bore:
C'est 100 fois la température du coeur de soleil, et 4 fois plus que la température générée par une bombe H. Pour rappel :
- Fusion Deutérium-Tritium = 100 millions de degrés
- Fusion Lithium-Hydrogène = 500 millions de degrés
- Fusion Bore-Hydrogène = 1 milliard de degrés
Ces 2 derniers type de fusion sont complètement propre (produisent de l'Hélium), et utilisent des éléments très abondants sur Terre.
Ces deux réactions présentent l'avantage d'être réellement propres, dans la mesure où elles ne produisent ni neutrons ni déchets radioactifs, ce qui n'est pas le cas des réactions basées sur le deutérium et le tritium.
Pour la première fois, la puissance rayonnée a dépassé (d'un facteur 3 à 4) l'estimation de l'énergie cinétique développée lors de la compression du plasma. L'origine de ce surcroît d'énergie reste encore incertaine, une seule tentative d'explication ayant été publiée jusqu'à présent.
Le Professeur Malcolm Haines, chercheur en physique des plasmas à l'Imperial College de Londres et conseiller scientifique de Sandia, a fourni une explication théorique[1] mettant en avant l'apparition possible, lors de la phase finale de la constriction et sous l'effet du champ magnétique, d'une myriade de micro-turbulences au sein du plasma; l'énergie cinétique de ces micro-turbulences serait transférée aux ions, augmentant ainsi la température du plasma, puis aux électrons, qui la libéreraient en émettant des rayons X.
Creation d'une centrale à fusion
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Similar experiments | Expériences similaires
Template:En Installations similar to the z-machine exists in other countries
Template:Fr des installations similaires à la z-machine existent dans d'autres pays:
- (us) 20.0 MA in 0,1 µs : Z-MACHINE (Sandia Nat. Lab.)
- (fr) 4.5 MA in 600-800 ns : SPHINX generator (DGA, Centre d'Essais de Gramat) Description du générateur SPHINX dans une communication à la Xème Conférence Megagauss.
- (en) 1.4 MA :MAGPIE (Mega Ampere Generator for Plasma Implosion Experiments) from the Imperial College at London is used to study wire array Z pinch implosions
- (us) .5-1 MA : COBRA Pulsed Power Generator (Cornell University)
- (pl?) PF-1000
- (us) 20 KA : MZP#4 Marx X-Pinch (University of Michigan)
- (ru) GIT-12 - Institut d'Électronique des Courants Forts à Tomsk. On trouvera des informations sur ce générateur au chapitre V de la thèse de Dominique Huet
- (cn) QIANGGUANG-I du NINT (Northwest Institute of Nuclear Technology), proche de Xi'an (Shaanxi) La rareté des documents accessibles ne permet pas d'être certain qu'il soit comparable à la Z machine. Les documents [1] et [2] aideront à se faire une opinion.
Scientific articles | Articles scientifiques et de vulgarisation
Press | Presse
- Template:Fr 2006-03-09 : La z-machine dépasse les deux milliards de degrés ! (futura-sciences)
- Template:En 2006-02-28 : America's Hottest Lab (Physics News Update)
- Template:En 2004-09-26 : Twenty Million Amps of Current (Physics News Update)
- Template:En 2003-04-09 : First Fusion at the Z Machine (Physics News Update)
- Template:En 2000-12-31 : A machine called Z (The Guardian)
- Template:En 1998-03-02 : Another dramatic climb toward fusion conditions for Sandia Z accelerator (Sandia Laboratories) Annonce par le laboratoire Sandia du franchissement du palier des 1,6 millions de degrés
- Template:Fr 1998-10-01 : Fusion nucléaire et striction axiale (Pour la science n°252)
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