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
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