Die Z-Maschine ist eine Versuchsanlage, um Materialversuche unter sehr hohen Temperaturen und extremen Druckverhältnissen durchzuführen. Sie steht in den Sandia National Laboratories (SNL) in Albuquerque/New Mexico/USA. Sie soll auch als Kernfusionsreaktor dienen.
Im Jahr 2005 war sie zudem die leistungsstärkste künstliche Röntgenquelle. Sie diente damit ursprünglich auch dem Test elektronischer Ausrüstung von Atomsprengköpfen, um sicherzustellen, dass diese nicht durch benachbarte Kernexplosionen gestört werden.
Der Name Z-Maschine ist abgeleitet
- von der vertikalen Austrittsrichtung der Röntgenstrahlen (siehe auch Z-Achse)
- von den vertikal verlaufenden Drähten (s. u.)
Die Z-Maschine ist ein Beispiel für eine Z-pinch-Anordnung zur Kernfusion, siehe auch Pincheffekt.
Leitender Wissenschaftler ist Thomas W. L. Sanford.
Aufbau Bearbeiten
Die Z-Maschine ist ein rundes Gefäß mit einem Durchmesser von 33 m und einer Höhe von 6 m mit 36 Marxgeneratoren und radial angeordneten Pulsformungsnetzwerk (PFN). In der Mitte des Gefäßes, das zur Isolierung mit deionisiertem Wasser gefüllt ist, befindet sich eine Vakuumkammer mit 3 m Durchmesser. In dieser befindet sich die sogenannte Z-Pinch, eine zylindrische Anordnung aus 300 in Z-Richtung verlaufenden, parallelen Wolframdrähten in der Form eines Zylinders mit einer Höhe von ca. 20 cm. Die Wolframdrähte haben einen Durchmesser von 10 µm, etwa 1/7 der Dicke eines menschlichen Haares. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sind verschiedene Experimente platziert, zum Beispiel eine Fusionskapsel, ein dünner Metallzylinder mit einem Gemisch aus Deuterium und Tritium. Damit die Atomkerne fusionieren können, muss die Kapsel auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe komprimiert und außerordentlich hoch erhitzt werden. Durch Bremsstrahlung entsteht bei der Draht-Implosion sehr intensive Röntgenstrahlung.
Während einer Zeit von weniger als 100 Nanosekunden fließt ein elektrischer Strom von 26 MA gleichzeitig durch die feinen Wolframdrähte im Zentrum. Sie verdampfen dadurch schlagartig und verwandeln sich in ein heißes Plasma. Der Stromfluss erzeugt sodann ein starkes Magnetfeld in dem (elektrisch leitenden) Plasma, welches radial zur senkrechten Achse stark komprimiert und erhitzt wird (sogenannter Pinch-Effekt). Dadurch wiederum erhitzt das Plasma das Wandmaterial des Proben-Zylinders in dessen Innerem auf eine Temperatur von bis zu einigen Milliarden Kelvin. Der Zylinder sendet einen intensiven Röntgenpuls aus mit einer Spitzenleistung von 290 TW. Die Fusionskapsel wird auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst und dabei stark aufgeheizt. Für wenige Nanosekunden tritt hier die ca. 80fache Leistung aller Kraftwerke der Erde auf.
Die elektrische Energie wird durch Marx-Generatoren bereitgestellt. Es ist ca. 1 Schuss pro Tag möglich. Zur Diagnose und für weitere Versuche können Laserstrahlen verschiedener Laser zum Target geführt werden.
Betrieb Bearbeiten
2003 gelang es den Wissenschaftlern, durch den Röntgenpuls von 120 TW die Fusionskapsel auf ein Sechstel ihres ursprünglichen Durchmessers zu komprimieren. Die Dichte der Deuteriumkerne stieg dabei auf das Zweihundertfache. Unter diesen Bedingungen werden zwei Kerne der schweren und überschweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium so dicht zusammengebracht, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Die Forscher schätzen, dass ihre Fusion eine Energie von etwa 4 mJ freisetzte.
2006 wurde bekanntgegeben, dass ein Plasma mit einer Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt werden konnte, eine Temperatur, die höher ist als die im Inneren von Sternen (im Kern der Sonne werden beispielsweise lediglich ca. 15 Millionen Kelvin erreicht). Zudem war die Energie der abgegebenen Röntgenstrahlung viermal so groß, wie es bei der zugeführten Menge kinetischer Energie zu erwarten gewesen wäre. Diese Ergebnisse konnten bisher zwar über einen Zeitraum von 14 Monaten mehrfach experimentell bestätigt, jedoch noch nicht vollständig erklärt werden.
Unter den im Jahre 2018 durchgeführten 152 Entladungen waren 32 Strahlungsexperimente, 54 Materialuntersuchungen und 49 Fusionsexperimente.
Der Ausbau zu einer größeren „ZR-Maschine“ ist in Planung. Mit ihr will man Röntgenpulse von bis zu 350 TW, höhere Dichten und Temperaturen erzeugen, und somit auch wesentlich größere Energiemengen freisetzen.
Einzelnachweise Bearbeiten
- ↑ D. B. Sinars et al.: Review of pulsed power-driven high energy density physics research on Z at Sandia, in Physics of Plasmas 27, 070501 (2020); doi:10.1063/5.0007476, abgerufen am 8. Feb. 2023
- (Nicht mehr online verfügbar.) Archiviert vom am 5. November 2015; abgerufen am 7. Mai 2010 (englisch).
Weblinks Bearbeiten
- Z machine melts diamond to puddle
- Z-Maschine am Sandia National Laboratory
- Artikel auf sandia.gov von 1998
Koordinaten: 35° 2′ 1,5″ N, 106° 32′ 33,1″ W