محطة الطاقة النبضية Z

إن منشأة الطاقة النبضية Z ، والمعروفة بشكل غير رسمي باسم آلة Z أو ببساطة Z ، ^{[ 1 ]} هي أكبر مولد موجات كهرومغناطيسية عالية التردد في العالم، وتشغلها مختبرات سانديا الوطنية في ألبوكيرك، نيو مكسيكو .

استُخدمت هذه المنشأة بشكل أساسي كمركز أبحاث في مجال الاندماج بالقصور الذاتي (ICF)، بما في ذلك تقنية الاندماج بالقصور الذاتي باستخدام البطانة الممغنطة (MagLIF)، ولاختبار المواد في ظروف درجات حرارة وضغوط قصوى. وعلى وجه الخصوص، تجمع بيانات للمساعدة في النمذجة الحاسوبية للأسلحة النووية ومحطات الطاقة النبضية الاندماجية المستقبلية .

يمكن تتبع أصول جهاز Z إلى حاجة وزارة الطاقة الأمريكية إلى محاكاة تفاعلات الاندماج النووي للقنبلة الحرارية في بيئة مختبرية لفهم الفيزياء المتعلقة بها بشكل أفضل. ومنذ سبعينيات القرن الماضي، تبحث وزارة الطاقة أيضًا في طرق توليد الكهرباء من تفاعلات الاندماج .

يعود تاريخ أول بحث في مختبرات سانديا، بقيادة جيرولد يوناس ^{[ 2 ] [ 3 ]} ، وهو برنامج اندماج الجسيمات، إلى عام 1971. ^{[ 4 ]} سعى هذا البرنامج إلى توليد الاندماج عن طريق ضغط الوقود بحزم من الجسيمات المشحونة. كانت الإلكترونات أول الجسيمات التي تم التفكير فيها، لأن مسرعات الطاقة النبضية في ذلك الوقت كانت قد ركزتها بالفعل بطاقة عالية في مناطق صغيرة. ومع ذلك، سرعان ما أُدرك أن الإلكترونات لا يمكنها تسخين وقود الاندماج بالسرعة الكافية لهذا الغرض. عندها تحول البرنامج من الإلكترونات إلى البروتونات. تبين أن البروتونات خفيفة جدًا بحيث لا يمكن التحكم بها جيدًا بما يكفي لتركيزها على هدف، فانتقل البرنامج إلى الأيونات الخفيفة، الليثيوم. تعكس أسماء المسرعات هذا التغيير في التركيز: كان اسم المسرع في البداية EBFA-I (مسرع اندماج حزمة الإلكترونات)، ثم أصبح PBFA-I، والذي أصبح فيما بعد Saturn. تطلبت البروتونات مسرعًا آخر، PBFA-II، والذي أصبح Z.

نُشرت في عدد نوفمبر 1978 من مجلة ساينتفك أمريكان أول مقالة عامة ليوناس بعنوان "طاقة الاندماج باستخدام حزم الجسيمات". ^{[ 5 ]}

في عام 1985، تم إنشاء PBFA-II. ^{[ 6 ] [ 7 ]} واصلت سانديا استهداف اندماج الأيونات الثقيلة بوتيرة بطيئة على الرغم من تقرير الأكاديميات الوطنية.

وفي الوقت نفسه، استمر البحث المتعلق بالدفاع في سانديا باستخدام جهاز هيرميس الثالث وجهاز ساتورن (1987)، الذي تم تطويره من جهاز PBFA-I، والذي كان يعمل بطاقة إجمالية أقل من جهاز PBFA-II ولكنه عزز معرفة سانديا في مجال الجهد العالي والتيار العالي، وبالتالي كان سلفًا مفيدًا لجهاز Z.

وفي عام 1996 أيضًا، تم تحديث جهاز PBFA-II مرة أخرى ^{[ 8 ]} إلى PBFA-Z ^{[ 9 ]} أو ببساطة "جهاز Z"، والذي تم وصفه لأول مرة للجمهور العام في أغسطس 1998 في مجلة Scientific American . ^{[ 10 ]}

تستخدم آلة Z مبدأ الانضغاط Z المعروف لإنتاج بلازما ساخنة قصيرة العمر. ويمكن استخدام هذه البلازما كمصدر للأشعة السينية، أو كبديل لداخل سلاح نووي حراري، أو كبديل لنواة محطة طاقة اندماجية.

في عملية الضغط Z، يؤدي التفريغ السريع للتيار عبر عمود من البلازما إلى ضغطها باتجاه محورها بفعل قوى لورنتز الناتجة ، مما يؤدي إلى تسخينها. وقد أجرى ويلارد هاريسون بينيت أبحاثًا ناجحة حول تطبيق تقنية الضغط Z على ضغط البلازما. يتميز تصميم جهاز Z بشكله الأسطواني، حيث يحتوي سطحه الخارجي على مكثفات ضخمة تُفرغ شحنتها عبر مولدات ماركس التي تولد نبضة جهد عالٍ مدتها ميكروثانية واحدة. ثم تُضغط هذه النبضة بمعامل 10 لتمكين توليد  تفريغات مدتها 100 نانوثانية.

تُجرى معظم التجارب على جهاز Z بتفريغ التيار عبر أنبوب موصل (يُسمى البطانة ) مملوء بالغاز. يُعرف هذا النهج باسم الاندماج بالقصور الذاتي للبطانة الممغنطة ، أو MagLIF. يكون ضغط انضغاط Z في تقنية MagLIF محدودًا لأن تدفق التيار غير مستقر للغاية ويدور حول الأسطوانة، مما يتسبب في التواء الأنبوب المنضغط، وبالتالي انخفاض جودة الضغط.

أجرى جهاز Z أيضًا تجارب باستخدام مصفوفات من أسلاك التنجستن بدلًا من البطانات. مُلئ الفراغ داخل مصفوفة الأسلاك بالبوليسترين، مما ساعد على تجانس تدفق الأشعة السينية. وبإزالة لب البوليسترين، تمكنت سانديا من الحصول على  سلك بلازما رفيع بسمك 1.5 مم، يتدفق فيه 10 ملايين أمبير بضغط 90 ميجابار.

تتمثل السمات الرئيسية لجهاز Z التابع لشركة سانديا ^{[ 11 ]} في تياره الكهربائي الذي يبلغ 18 مليون أمبير وزمن تفريغه الذي يقل عن 100 نانوثانية . في البداية، كان يتم تمرير هذا التيار الكهربائي عبر مصفوفة من أسلاك التنجستن . ^{[ 12 ]} في عام 1999، اختبرت سانديا فكرة مصفوفات الأسلاك المتداخلة؛ ^{[ 13 ]} حيث تعوض المصفوفة الثانية، الخارجة عن طور الأولى، عن عدم استقرار رايلي-تايلور . في عام 2001، قدمت سانديا ليزر Z-Beamlet (من المعدات الفائضة للمرفق الوطني للإشعال ) كأداة لتحسين تصوير الكرية المضغوطة. ^{[ 14 ]} وقد أكد ذلك تجانس شكل الكريات المضغوطة بواسطة جهاز Z.

في عام ١٩٩٩، أطلقت سانديا مشروع طاقة الاندماج بالقصور الذاتي Z (Z-IFE) ^{[ ١٥ ]} ، الذي هدف إلى حل الصعوبات العملية في تسخير طاقة الاندماج. وشملت المشكلات الرئيسية إنتاج الطاقة في عملية انضغاط واحدة، وإعادة تعبئة المفاعل بسرعة بعد كل عملية انضغاط. وبحسب تقديراتهم الأولية، فإن انضغاط كبسولة وقود كل ١٠ ثوانٍ يمكن أن ينتج ٣٠٠  ميغاواط من طاقة الاندماج بكفاءة اقتصادية.

أعلنت سانديا عن دمج كميات صغيرة من الديوتيريوم في جهاز Z في 7 أبريل 2003. ^{[ 16 ]}

إلى جانب استخدامها كمولد للأشعة السينية، كانت آلة Z تدفع صفائح صغيرة بسرعة 34 كيلومترًا في الثانية، أي أسرع من سرعة دوران الأرض حول الشمس البالغة 30 كيلومترًا في الثانية ، وأربعة أضعاف سرعة إفلات الأرض من جاذبية الشمس (وثلاثة أضعافها عند مستوى سطح البحر). ^{[ 17 ]} كما نجحت في إنتاج نوع خاص من "الجليد الساخن" فائق الكثافة يُعرف باسم الجليد السابع ، وذلك عن طريق ضغط الماء بسرعة إلى ضغوط تتراوح بين 70,000 و120,000 ضغط جوي (7 إلى 12 جيجا باسكال ). ^{[ 18 ]} ويمكن للصدمة الميكانيكية الناتجة عن اصطدام المقذوفات المتسارعة بآلة Z أن تذيب الماس. ^{[ 19 ]} 

خلال هذه الفترة، قفزت قدرة الأشعة السينية المنتجة من 10 إلى 300  تيراواط. ^{[ 20 ]} ولتحقيق الهدف التالي المتمثل في الوصول إلى نقطة التعادل في الاندماج النووي، كان من الضروري إجراء ترقية أخرى. ^{[ 21 ]}

أُعلن في عام 2004 عن برنامج تحديث بقيمة 60 مليون دولار (رُفعت لاحقًا إلى 90 مليون دولار) يُسمى ZR (المُجدد) لزيادة قدرة جهاز Z بنسبة 50%. وتم تفكيك الجهاز في يوليو 2006 لإجراء هذا التحديث، الذي شمل تركيب أجهزة ومكونات مُصممة حديثًا ومولدات ماركس أكثر قوة . وتم تقليص حجم قسم الماء منزوع الأيونات إلى حوالي نصف حجمه السابق، بينما تم توسيع قسم الزيت بشكل كبير لاستيعاب خطوط تخزين وسيطة أكبر (مخازن i) وأبراج ليزر جديدة، كانت موجودة سابقًا في قسم الماء. واكتمل التحديث في أكتوبر 2007. ^{[ 22 ]} يستطيع جهاز Z المُحدث الآن إطلاق حوالي 26 مليون أمبير ^{[ 23 ]} (بدلًا من 18 مليون أمبير سابقًا) في 95 نانوثانية. وارتفعت القدرة المُشعّة إلى 350 تيراواط، وطاقة الأشعة السينية الناتجة إلى 2.7 ميغا جول . في عام 2006، وصلت تجارب مصفوفة الأسلاك إلى درجات حرارة فائقة الارتفاع تتراوح بين 2.66 و 3.7 مليار كلفن. ^{[ 24 ]}

تتضمن خارطة طريق سانديا المستقبلية نسخة أخرى من جهاز Z تُسمى ZN (نيوترون Z) لاختبار إنتاجية أعلى في أنظمة طاقة الاندماج وأنظمة الأتمتة. من المخطط أن يُنتج جهاز ZN  طاقة اندماج هيدروجيني تتراوح بين 20 و30 ميغا جول بمعدل نبضة واحدة في الساعة، باستخدام مُحرك محول خطي روسي (LTD) ليحل محل مولدات ماركس الحالية. ^{[ 25 ]} بعد 8 إلى 10 سنوات من التشغيل، سيصبح جهاز ZN محطة تجريبية للتحويل النووي قادرة على إجراء نبضة اندماج كل 100 ثانية. ^{[ 26 ]}

تتمثل الخطوة التالية المخطط لها في إنشاء منشأة اختبار طاقة الاندماج بالقصور الذاتي Z (Z-IFE)، وهي أول محطة طاقة اندماجية نموذجية حقيقية تعمل بتقنية الانضغاط Z. ويُقترح دمج أحدث تصاميم مختبرات سانديا باستخدام مفاعلات LTD. وقد اقترحت مختبرات سانديا مؤخرًا محطة طاقة انضغاط Z بتقنية LTD بقدرة 1 بيتاواط (10 ^{^15}  واط)، حيث يصل التفريغ الكهربائي إلى 70 مليون أمبير. ^{[ 27 ]} اعتبارًا من عام 2012، أظهرت محاكاة إطلاق الاندماج عند 60 إلى 70 مليون أمبير زيادة في الطاقة المُدخلة تتراوح بين 100 و1000 ضعف. وكان من المقرر أن تبدأ الاختبارات عند الحد الأقصى للتصميم الحالي لآلة Z، والذي يتراوح بين 26 و27 مليون أمبير، في عام 2013. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

في عام 2023، استُخدم جهاز Z لدراسة تأثير الأشعة السينية على مواد محاكاة للكويكبات، وذلك في إطار جهود الدفاع الكوكبي. أُجريت التجربة لتقييم جدوى استخدام الأشعة السينية المنبعثة من سلاح نووي لتغيير مسار الكويكبات التي وُجد أنها على مسار تصادمي مع الأرض. ^{[ 30 ]}

في عام 2010، أنشأت مختبرات سانديا الوطنية برنامج العلوم الأساسية Z (ZFS) لتوفير إمكانية الوصول إلى جهاز Z وأدواته التشخيصية للباحثين من الأوساط الأكاديمية والمختبرات الوطنية والقطاع الخاص. ويتم منح ما يصل إلى 10% من إجمالي عمليات التشغيل السنوية على جهاز Z من خلال هذا البرنامج عبر دعوة سنوية لتقديم المقترحات، وهو ما يعادل حوالي 10 عمليات تشغيل للمستخدمين الخارجيين سنويًا. ^{[ 31 ]}

تُعقد ورشة عمل سنوية في مدينة ألبوكيرك بولاية نيو مكسيكو، تجمع الفرق التي تُجري تجارب من خلال برنامج ZFS لإطلاع مجتمع المستخدمين على نتائج الأبحاث والتقدم المحرز. ^{[ 32 ]}

حتى الآن، أجرى المستخدمون تجارب على فيزياء الكثافة العالية للطاقة ، والفيزياء الفلكية المختبرية، وعلم الكواكب ، والضغط الديناميكي للمواد، والديناميكا المغناطيسية المائية (MHD) بما في ذلك إعادة الاتصال المغناطيسي ، وتطور الصدمات غير التصادمية، وتكوين النفاثات الممغنطة. ^{[ 33 ]}

• إدارة المخزون
• طاقة نبضية
• محطة طاقة الاندماج بالقصور الذاتي
• الاندماج بالقصور الذاتي ذو البطانة الممغنطة

• الصفحة الرئيسية لمنشأة الطاقة النبضية Z
• "آلة تُدعى Z" ، مقال من صحيفة ذا أوبزرفر
• تحديثات أخبار الفيزياء ، 28 فبراير 2006

35°02′08″ شمالاً 106°32′33″ غرباً / 35.035451° شمالاً 106.542522° غرباً / 35.035451; -106.542522