Creación del efecto Z-Pinch y la energía de fusión.

 

Este documento describe un medio de generar rayos X de mucha potencia usando el efecto Z-Pinch, en un sistema de energía de fusión.

 

Aplicando una gran corriente, con un tiempo de crecimiento de la misma muy pequeño a un sistema de alambres dispuestos en forma cilíndrica, esto no solo calienta el material de que esta hecho el alambre hasta llevarlo a un estado de plasma sino que se crea un campo magnético el cual empuja a este material a un eje común, ver en el siguiente dibujo, que nos representa el proceso en forma muy esquemática,

 

En el Sandia National Laboratories, se usa un sistema de alambres que implotan, usando generadores muy poderosos denominados Z, los cuales generan grandes corrientes del orden de los 20 millones de amperios 20 MA, con tiempos de crecimiento de 100 nano segundos (100x10^-9 de segundos) 100 ns, con un pico de potencia de 50 TW ( 50x10^12 Watts).

Este sistema contiene 240 alambres de tungsteno, que tiene el  punto de fusión más elevado de todos los elementos y se usa en los filamentos de las lámparas incandescentes, en resistencias eléctricas y aleado con el acero, en la fabricación de herramientas.

El diámetro de los alambres es de 7.5 mm (7.5x10-6 metros), todo el sistema pesa 4 mg e implota a una gran velocidad de cientos de kilómetros por segundo, dirigiéndose hacia el centro como se indico en el dibujo anterior, con una energía cinética de aproximadamente 1 Mega Joule ( 1 millón de Joules), con una temperatura de aproximadamente 1 keV y una densidad de 10^20 iones/cm^3 .

La concentración del plasma en el eje de simetría hace que esta energía cinética se transforme en energía térmica, el tungsteno es muy eficiente radiador de energía y esta energía térmica se transforma en rayos X. Después de la implosión el plasma esta confinado un tiempo muy pequeño, debido al campo magnético permitiendo la emisión de rayos X, de hasta 1.8 MJ .

Mas del 20 % de la energía eléctrica en el generador se convierte en rayos X, usando un gran numero de alambres resulta en una implosión muy simétrica el cual produce un pulso de rayos X de 5ns y una potencia de 280 TW.

Sin embargo esto no es suficiente para realizar la ignición en el sistema de fusión Z-Pinch, el cual es mejorado para obtener dicha meta.

Dos mecanismos frustran la implosión simétrica, la primera es la reluctancia de los alambres a transformarse en plasma, la corriente que circula inicialmente cerca de la superficie del alambre, dejando gran parte del alambre en un estado denso de vapor metálico y frió. Una implosión distribuida resulta, la cual gradualmente transfiere el material del núcleo del alambre por medio por medio de la corriente radial del plasma al plasma precursor, finalmente el núcleo del alambre entrega el resto del material el cual implota rápidamente  en el precursor.

Para sistemas con muchos alambres este fenómeno persiste. Una vez que el numero de alambres se hace muy grande, sin embargo la separación entre núcleos de alambres se hace comparable con su tamaño y se hace muy dificultosa la compresión del material en el espacio de separación y los alambres adoptan un mas uniforme implosión en forma de caparazón.

El otro mecanismo que frustra la simetría de la implosión es la denominada inestabilidad Rayleigh-Taylor, en este sistema el plasma es acelerado por un campo magnético y resulta en un crecimiento de la inestabilidad  del campo magnético.

El siguiente enlace nos muestra el efecto en una simulación realizada en Swarthmore College.

La siguiente fotografia pertenece al sistema del Sandia Nacional Laboratory y nos muestra al sistema de 240 alambres de 7.5 mm de diámetro del generador Z.


 

X Pinch.

 

Este sistema consiste en un conjunto de dos o mas alambres finos metálicos cruzados en forma de X. Aplicando una gran corriente del orden de 100000 a 500000 amperios, con tiempos de establecimiento del orden de 100 nano segundos, esto genera pulsos de rayos X de 1 nano segundos y los mismos proviene de una zona de 1 micrómetro, la densidad del plasma es de 1022/cm^3 y la temperatura de 1keV. La emisión de rayos X esta precedida por la formación de una corriente de plasma.

 



 

 

 

Se forma un pequeño z-pinch en el punto de cruce de los alambres, junto con un jet o corriente de plasma axial que se dirige hacia los electrodos.

En este z-pinch se forman zonas muy densas y calientes, denominadas “hotspots”, las cuales se caracterizan por la emisión de radiación en forma de rayos X en tiempos muy cortos , y acompañados por la abertura de un gap en el punto de cruce.

 

 

Historia de los experimentos con el sistema Z-pinch.

 

Los primeros experimentos con este sistema  fueron  realizados por el quimico holandes Martinus van Marun, en el siglo 17, para ello utilizo un generador electrostatico

 

 La maquina tenia dos discos de vidrio, paralelos  que rotaban, con un diametro de 1.62 metros y contenia 100 capacitores de Leyden con un vidrio de 4 mm de espesor, de 35 cm de diametro y 60 cm de alto, la capacidad de cada elemento era de 5 nF y el total era de 0.5 mF, la tension maxima era de 60 kV y la energia del conjunto de capacitores era de 1 kJoule, en el experimento se hacia explotar un alambre, durante un tiempo de descarga de 0.5 ms y una corriente maxima de 60 kA.

 

Eduardo Ghershman,  17.03.2007

 

Enlaces.

 

Galileo

 

 

Google    

 

eXTReMe Tracker