Z-Maschine
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 zur Entwicklung eines Kernfusionskraftwerks beitragen. Im Jahr 2005 war sie zudem die leistungsstärkste künstliche Röntgenquelle.
.jpg.webp)
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-(d.h. Z-Quetsche-)Anordnung zur Kernfusion.
Leitender Wissenschaftler ist Thomas W. L. Sanford.
Aufbau
Die Z-Maschine ist ein Zylinder mit einem Durchmesser von 32 m und einer Höhe von 6 m, umgeben von 36 radial angeordneten elektrischen Leitern von über 1 m Durchmesser. 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 Wolfram-Drähten in der Größe einer Garnspule (mit einer Höhe von ca. 20 cm). Die Wolfram-Drähte besitzen einen Durchmesser von 10 µm, etwa 1/7 der Dicke eines menschlichen Haares. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sitzt die Fusionskapsel, eine pfefferkorngroße Plastikkugel, die mit einem Gemisch aus Deuterium und Tritium gefüllt ist. Damit die Atomkerne fusionieren können, muss die Kapsel auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe komprimiert und außerordentlich erhitzt werden. Das lässt sich durch den Strahlungsdruck einer sehr intensiven Röntgenstrahlung erreichen.
Um diese Röntgenstrahlung zu erzeugen, wird für eine sehr kurze Zeit von weniger als 100 Nanosekunden ein elektrischer Strom von bis zu 20 Millionen Ampere exakt gleichzeitig durch alle 36 radialen Leiter geschickt. Die feinen Wolfram-Drähte im Zentrum verdampfen dadurch schlagartig und verwandeln sich in ein extrem heißes, ionisiertes Gas – ein 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 umgebenden Zylinders auf eine Temperatur von bis zu einigen Milliarden Kelvin. Dies führt dazu, dass dieser Zylinder für einen kurzen Moment einen intensiven Röntgenpuls aussendet, mit einer Spitzenleistung von 290 TW. Trifft dieser Röntgenpuls dann auf die Fusionskapsel, wird sie durch den Strahlungsdruck auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst und dabei stark aufgeheizt. Für wenige Nanosekunden wird hier die ca. 80fache Momentanleistung umgesetzt, die auf der gesamten Erde verbraucht wird.
Die elektrische Energie wird durch Marx-Generatoren bereitgestellt.
Betrieb
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.[1]
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
- Sandia’s Z machine exceeds two billion degrees Kelvin. Abgerufen am 7. Mai 2010 (englisch).