Un generador de compresión de flujo de bombeo explosivo ( EPFCG ) es un dispositivo que se utiliza para generar un pulso electromagnético de alta potencia al comprimir el flujo magnético con un explosivo de alta potencia .
Un EPFCG solo genera un solo pulso ya que el dispositivo se destruye físicamente durante el funcionamiento. Un paquete de EPFCG que pueda ser transportado fácilmente por una persona puede producir pulsos de millones de amperios y decenas de teravatios . [ cita requerida ] Requieren un pulso de corriente de arranque para funcionar, generalmente suministrado por condensadores .
Los generadores de compresión de flujo bombeados de forma explosiva se utilizan para crear campos magnéticos ultraaltos en la investigación de la física y la ciencia de los materiales [1] y pulsos de corriente eléctrica extremadamente intensos para aplicaciones de energía pulsada . Se están investigando como fuentes de energía para dispositivos de guerra electrónica conocidos como dispositivos electromagnéticos transitorios que generan un pulso electromagnético sin los costos, efectos secundarios o el enorme alcance de un dispositivo de pulso electromagnético nuclear .
El primer trabajo en estos generadores fue realizado por el centro de investigación nuclear VNIIEF en Sarov en la Unión Soviética a principios de la década de 1950 seguido por el Laboratorio Nacional de Los Alamos en los Estados Unidos .
Historia
A principios de la década de 1950, la necesidad de pulsos eléctricos muy cortos y potentes se hizo evidente para los científicos soviéticos que realizaban investigaciones sobre fusión nuclear . El generador de Marx , que almacena energía en condensadores, era el único dispositivo capaz en ese momento de producir pulsos de tan alta potencia. El costo prohibitivo de los condensadores necesarios para obtener la potencia deseada motivó la búsqueda de un dispositivo más económico. Los primeros generadores magneto-explosivos, que surgieron de las ideas de Andrei Sakharov , fueron diseñados para cumplir este papel. [2] [3]
Cómo funciona
Los generadores magnetoexplosivos utilizan una técnica llamada "compresión de flujo magnético", que se describe en detalle a continuación. La técnica es posible cuando las escalas de tiempo en las que opera el dispositivo son lo suficientemente breves como para que la pérdida de corriente resistiva sea insignificante, y el flujo magnético a través de cualquier superficie rodeada por un conductor (cable de cobre, por ejemplo) permanece constante, aunque el tamaño y la forma de la superficie puede cambiar.
Esta conservación de flujo se puede demostrar a partir de las ecuaciones de Maxwell . La explicación más intuitiva de esta conservación del flujo cerrado se deriva de la ley de Lenz , que dice que cualquier cambio en el flujo a través de un circuito eléctrico provocará una corriente en el circuito que se opondrá al cambio. Por esta razón, reducir el área de la superficie encerrada por un conductor de circuito cerrado con un campo magnético que lo atraviesa, lo que reduciría el flujo magnético, da como resultado la inducción de corriente en el conductor eléctrico, que tiende a mantener el flujo encerrado en su valor original. En los generadores magnetoexplosivos, la reducción de área se logra detonando explosivos empaquetados alrededor de un tubo o disco conductor, por lo que la implosión resultante comprime el tubo o disco. [4] Dado que el flujo es igual a la magnitud del campo magnético multiplicado por el área de la superficie, a medida que el área de la superficie se contrae, aumenta la fuerza del campo magnético dentro del conductor. El proceso de compresión transforma parcialmente la energía química de los explosivos en la energía de un campo magnético intenso rodeado por una corriente eléctrica correspondientemente grande.
El propósito del generador de flujo puede ser la generación de un pulso de campo magnético extremadamente fuerte o un pulso de corriente eléctrica extremadamente fuerte; en el último caso, el conductor cerrado está conectado a un circuito eléctrico externo . Esta técnica se ha utilizado para crear los campos magnéticos artificiales más intensos de la Tierra; Se pueden crear campos de hasta aproximadamente 1000 teslas (aproximadamente 1000 veces la fuerza de un imán permanente de neodimio típico) durante unos pocos microsegundos.
Descripción elemental de la compresión de flujo
Un campo magnético externo (líneas azules) enhebra un anillo cerrado hecho de un conductor perfecto (con resistencia cero ). El flujo magnético total a través del anillo es igual al campo magnético multiplicado por el área de la superficie que atraviesa el anillo. Las nueve líneas de campo representan el flujo magnético que enhebra el anillo.
Suponga que el anillo se deforma, reduciendo su área de sección transversal. El flujo magnético que enhebra el anillo, representado por cinco líneas de campo, se reduce en la misma proporción que el área del anillo. La variación del flujo magnético induce una corriente (flechas rojas) en el anillo por la ley de inducción de Faraday , que a su vez crea un nuevo campo magnético que rodea el cable (flechas verdes) por la ley circuital de Ampere . El nuevo campo magnético se opone al campo exterior del anillo pero se suma al campo interior, de modo que se mantiene el flujo total en el interior del anillo: cuatro líneas de campo verde sumadas a las cinco líneas azules dan las nueve líneas de campo originales.
Al sumar el campo magnético externo y el campo inducido, se puede demostrar que el resultado neto es que las líneas del campo magnético que originalmente enroscaban el orificio permanecen dentro del orificio, por lo que se conserva el flujo y se ha creado una corriente en el anillo conductor. . Las líneas del campo magnético se "pellizcan" más juntas, por lo que la intensidad del campo magnético (promedio) dentro del anillo aumenta en la relación entre el área original y el área final.
Los distintos tipos de generadores
El simple principio básico de la compresión de flujo se puede aplicar de diversas formas. Los científicos soviéticos del VNIIEF en Sarov , pioneros en este campo, concibieron tres tipos diferentes de generadores: [5] [3] [6]
- En el primer tipo de generador (MK-1, 1951) desarrollado por Robert Lyudaev, el flujo magnético producido por un conductor enrollado está confinado al interior de un tubo metálico hueco rodeado de explosivos y sometido a una compresión violenta cuando los explosivos son encendido; un dispositivo del mismo tipo fue desarrollado en los Estados Unidos una docena de años más tarde por el equipo de CM (Max) Fowler en Los Alamos .
- En el segundo tipo de generador (MK-2, 1952), el flujo magnético, confinado entre los devanados del conductor externo y un tubo conductor central lleno de explosivo, es comprimido por el 'pistón' cónico creado por la deformación de la central. tubo a medida que la onda de detonación viaja a través del dispositivo.
- Un tercer tipo de generador (DEMG), desarrollado por Vladimir Chernyshev, es cilíndrico y contiene una pila de discos metálicos cóncavos, uno frente al otro en pares, para crear módulos huecos (con el número que varía según la potencia deseada), y separados por explosivos; cada módulo funciona como un generador independiente.
Dichos generadores pueden, si es necesario, utilizarse de forma independiente, o incluso ensamblarse en una cadena de etapas sucesivas: la energía producida por cada generador se transfiere al siguiente, que amplifica el pulso, etc. Por ejemplo, se prevé que el generador DEMG sea alimentado por un generador tipo MK-2.
Generadores de tubo hueco
En la primavera de 1952, RZ Lyudaev, EA Feoktistova , GA Tsyrkov y AA Chvileva realizaron el primer experimento con este tipo de generador, con el objetivo de obtener un campo magnético muy alto.
El generador MK-1 funciona de la siguiente manera:
- Se produce un campo magnético longitudinal dentro de un conductor metálico hueco, al descargar un banco de condensadores en el solenoide que rodea el cilindro. Para asegurar una rápida penetración del campo en el cilindro, hay una hendidura en el cilindro, que se cierra rápidamente cuando el cilindro se deforma;
- La carga explosiva colocada alrededor del tubo se detona de manera que se asegure que la compresión del cilindro comience cuando la corriente a través del solenoide sea máxima;
- La onda de choque cilíndrica convergente desatada por la explosión produce una contracción rápida (mayor a 1 km / s) del cilindro central, comprimiendo el campo magnético y creando una corriente inductiva, según la explicación anterior (la velocidad de contracción lo permite, para primera aproximación, el descuido de las pérdidas de Joule y la consideración del cilindro como un conductor perfecto).
Los primeros experimentos lograron alcanzar campos magnéticos de millones de gauss (cientos de teslas ), dado un campo inicial de 30 kG (3 T) que se encuentra en el espacio libre "aire" igual que H = B / μ 0 = ( 3 V s / m 2 ) / (4π × 10 −7 V s / Am) =2,387 × 10 6 A / m (aproximadamente 2,4 MA / m).
Generadores helicoidales
Los generadores helicoidales fueron concebidos principalmente para entregar una corriente intensa a una carga situada a una distancia segura. Se utilizan con frecuencia como la primera etapa de un generador de etapas múltiples, y la corriente de salida se utiliza para generar un campo magnético muy intenso en un segundo generador.
Los generadores MK-2 funcionan de la siguiente manera:
- Se produce un campo magnético longitudinal entre un conductor metálico y un solenoide circundante, descargando una batería de condensadores en el solenoide;
- Luego del encendido de la carga, se propaga una onda de detonación en la carga explosiva colocada en el interior del tubo metálico central (de izquierda a derecha en la figura);
- Bajo el efecto de la presión de la onda de detonación, el tubo se deforma y se convierte en un cono que entra en contacto con la bobina enrollada helicoidalmente, disminuyendo el número de vueltas no cortocircuitadas, comprimiendo el campo magnético y creando una corriente inductiva;
- En el punto de máxima compresión de flujo, se abre el interruptor de carga, que luego entrega la máxima corriente a la carga.
El generador MK-2 es particularmente interesante para la producción de corrientes intensas, hasta 10 8 A (100 MA), así como un campo magnético de muy alta energía, ya que hasta un 20% de la energía explosiva se puede convertir en energía magnética. , y la intensidad del campo puede alcanzar 2 × 10 6 gauss (200 T).
La realización práctica de sistemas MK-2 de alto rendimiento requirió la búsqueda de estudios fundamentales por parte de un gran equipo de investigadores; esto se logró efectivamente en 1956, luego de la producción del primer generador MK-2 en 1952, y el logro de corrientes superiores a 100 megaamperios a partir de 1953.
Generadores de discos
Un generador DEMG funciona de la siguiente manera:
- Los discos metálicos conductores, ensamblados en pares enfrentados para crear módulos huecos que tienen la forma de un toro revestido , con explosivo empacado entre pares de módulos, se apilan dentro de un cilindro; [7] el número de módulos puede variar según la potencia deseada (la figura muestra un dispositivo de 15 módulos), así como el radio de los discos (del orden de 20 a 40 cm).
- La corriente atraviesa el dispositivo, suministrada por un generador MK-2, y se crea un campo magnético intenso dentro de cada módulo.
- Cuando se inicia, la explosión comienza en el eje y se propaga radialmente hacia afuera, deformando las protuberancias en forma de disco con sección triangular y alejándolas del eje. El movimiento hacia afuera de esta sección de conductor juega el papel de un pistón.
- A medida que avanza la explosión, el campo magnético se comprime en el interior de cada módulo por el pistón conductor y la tracción simultánea de las caras internas, creando también una corriente inductiva.
- A medida que la corriente inducida alcanza su máximo, el interruptor de apertura del fusible se fusiona y el interruptor de carga se cierra simultáneamente, permitiendo que la corriente se entregue a la carga (el mecanismo para el funcionamiento del interruptor de carga no se explica en la documentación disponible).
En VNIIEF se han desarrollado sistemas que utilizan hasta 25 módulos. La potencia de 100 MJ a 256 MA ha sido producida por un generador de un metro de diámetro compuesto por tres módulos.
Ver también
- Andrei Sajarov
- Clarence Max Fowler
- Poder pulsado
- Generador de marx
- Laboratorio Nacional Los Alamos
- Pinch (física del plasma)
- Generador ferroeléctrico impulsado por explosivos
- Generador ferromagnético impulsado por explosivos
- Láser dinámico de gas bombeado de forma explosiva
Referencias
- ^ Solem, JC; Sheppard, MG (1997). "Química cuántica experimental en campos magnéticos ultra altos: algunas oportunidades". Revista Internacional de Química Cuántica . 64 (5): 619–628. doi : 10.1002 / (sici) 1097-461x (1997) 64: 5 <619 :: aid-qua13> 3.0.co; 2-y .
- ^ Terletskii, Ia. P. (agosto de 1957). "Producción de campos magnéticos muy fuertes por compresión rápida de conchas conductoras" (PDF) . JETP . 5 (2): 301–202.
- ^ a b Sakharov, AD (7 de diciembre de 1982). Obras científicas recopiladas . Marcel Dekker . ISBN 978-0824717148.
- ^ Existen otras técnicas que no dependen de explosivos. En particular, ver: esquema de compresión de flujo utilizado en el centro de estudio Gramat, tesis doctoral, Mathias Bavay, 8 de julio de 2002
- ^ Sajarov, AD (enero de 1966). "Взрывомагнитные генераторы" (PDF) . Uspekhi Fizicheskikh Nauk (en ruso). 88 (4): 725–734. Traducido como: Sajarov, AD (1966). "Generadores magnetoimplosivos". Uspekhi de la física soviética . 9 (2): 294–299. Código Bibliográfico : 1966SvPhU ... 9..294S . doi : 10.1070 / PU1966v009n02ABEH002876 . Republicado como: Sajarov, AD; et al. (1991). "Взрывомагнитные генераторы" (PDF) . Uspekhi Fizicheskikh Nauk (en ruso). 161 (5): 51–60. doi : 10.3367 / UFNr.0161.199105g.0051 . Traducido como: Sajarov, AD; et al. (1991). "Generadores magnetoimplosivos". Uspekhi de la física soviética . 34 (5): 387–391. Código bibliográfico : 1991SvPhU..34..385S . doi : 10.1070 / PU1991v034n05ABEH002495 .
- ^ Más joven, Stephen; Lindemuth, Irvin; Reinovsky, Robert; Fowler, C. Maxwell; Goforth, James; Ekdahl, Carl (1996). "Colaboraciones científicas de laboratorio a laboratorio entre Los Alamos y Arzamas-16 utilizando generadores de compresión de flujo impulsados por explosivos" (PDF) . Ciencia de Los Alamos (23).
- ^ En la práctica, cada elemento prefabricado, destinado a ser ensamblado en un cilindro, corresponde a un artefacto explosivo rodeado por dos discos, lo que explica por qué la línea de discos termina en cada extremo por un semimódulo hueco.
enlaces externos
- Colaboraciones científicas entre Los Alamos y Arzamas-16 utilizando generadores de compresión de flujo impulsados por explosivos
- Introducción a los generadores de compresión de flujo magnético explosivo
- Generación de campos magnéticos ultra altos para AGEX (LANL)
- Fuentes de energía magnética explosiva de superpotencia (VK Chernyshev, VNIIEF)
- Experimentos de alta tasa de deformación para determinar el límite elástico dinámico del cobre
- Fusión de objetivos magnetizados: un enfoque de energía ultra alta en un espacio de parámetros inexplorado