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Generador de compresión de flujo bombeado explosivamente

Vista en sección de un generador de compresión de flujo. El tubo de aluminio se detona en el extremo que sobresale de la hélice de alambre de cobre. En el otro extremo, un trans...

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Vista en sección de un generador de compresión de flujo. El tubo de aluminio se detona en el extremo que sobresale de la hélice de alambre de cobre. En el otro extremo, un transformador permite que el generador funcione de manera más eficiente con la carga eléctrica.

Un generador de compresión de flujo por bombeo explosivo ( EPFCG ) es un dispositivo que se utiliza para generar un pulso electromagnético de alta potencia mediante la compresión del flujo magnético utilizando explosivos de alta potencia .

Los generadores de corriente continua de emergencia (EPFCG) se destruyen físicamente durante su funcionamiento, por lo que son de un solo uso. Requieren un pulso de corriente de arranque para funcionar, generalmente suministrado por condensadores .

Los generadores de compresión de flujo por bombeo explosivo 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 potencia 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, los efectos secundarios ni el enorme alcance de un dispositivo de pulso electromagnético nuclear .

Los primeros trabajos sobre estos generadores fueron realizados por el centro de investigación nuclear VNIIEF en Sarov , en la Unión Soviética, a principios de la década de 1950, seguidos 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 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 magnetoexplosivos, que surgieron de las ideas de Andrei Sakharov , fueron diseñados para cumplir esta función. [ 2 ] [ 3 ]

Mecánica

Para un campo magnético de intensidad constante de magnitud B que atraviesa una superficie S, el flujo Φ es igual a B por S.

Los generadores magnetoexplosivos utilizan una técnica denominada "compresión de flujo magnético", que se describe en detalle a continuación. Esta técnica es posible cuando los intervalos de tiempo durante los cuales 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 (por ejemplo, un cable de cobre) permanece constante, aunque el tamaño y la forma de la superficie puedan cambiar.

Esta conservación del flujo se puede demostrar a partir de las ecuaciones de Maxwell . La explicación más intuitiva de esta conservación del flujo encerrado se deriva de la ley de Lenz , que establece que cualquier cambio en el flujo a través de un circuito eléctrico provocará una corriente en el circuito que se opondrá a dicho cambio. Por esta razón, la reducción del área de la superficie encerrada por un conductor de bucle cerrado con un campo magnético que lo atraviesa, lo que reduciría el flujo magnético, resulta en 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 del área se logra mediante la detonación de explosivos empaquetados alrededor de un tubo o disco conductor, de modo que la implosión resultante comprime el tubo o disco. [ 4 ] Dado que el flujo es igual a la magnitud del campo magnético multiplicada por el área de la superficie, a medida que el área de la superficie se reduce, la intensidad del campo magnético dentro del conductor aumenta. 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 generador de flujo puede generar un pulso de campo magnético extremadamente fuerte o un pulso de corriente eléctrica extremadamente fuerte; en este último caso, el conductor cerrado se conecta a un circuito eléctrico externo . Esta técnica se ha utilizado para crear los campos magnéticos artificiales más intensos de la Tierra; se pueden generar campos de hasta unos 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

Figura 1: Líneas de campo magnético originales.

Un campo magnético externo (líneas azules) atraviesa un anillo cerrado hecho de un conductor perfecto (con resistencia cero ). El flujo magnético totalΦ{\displaystyle \Phi }a través del anillo es igual al campo magnéticoB{\displaystyle B}multiplicado por el áreaA{\displaystyle A}de la superficie que abarca el anillo. Las nueve líneas de campo representan el flujo magnético que atraviesa el anillo.

Figura 2: Configuración después de que se haya reducido el diámetro del anillo.

Supongamos que el anillo se deforma, reduciendo su área transversal. El flujo magnético que lo atraviesa, 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 según la ley de inducción de Faraday , que a su vez crea un nuevo campo magnético que rodea el hilo conductor (flechas verdes) según la ley circuital de Ampère . 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 verdes sumadas a las cinco líneas azules dan como resultado las nueve líneas de campo originales.

Figura 3: Líneas de campo magnético después de la compresión.

Al sumar el campo magnético externo y el campo inducido, se puede demostrar que el resultado neto es que las líneas de campo magnético que originalmente atravesaban el orificio permanecen dentro de él, conservándose así el flujo y generándose una corriente en el anillo conductor. Las líneas de campo magnético se comprimen, de modo que la intensidad del campo magnético (promedio) dentro del anillo aumenta en proporción al área original con respecto al área final.

Los distintos tipos de generadores

El sencillo principio básico de compresión de flujo se puede aplicar de diversas maneras. 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 se confina al interior de un tubo metálico hueco rodeado de explosivos, y se somete a una compresión violenta cuando se disparan los explosivos; un dispositivo del mismo tipo fue desarrollado en los Estados Unidos una docena de años después 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 del tubo central 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, enfrentados entre sí en pares, para crear módulos huecos (cuyo número varía según la potencia deseada), y separados por explosivos; cada módulo funciona como un generador independiente.

Estos generadores pueden utilizarse, si es necesario, de forma independiente o incluso ensamblarse en cadena de etapas sucesivas: la energía producida por cada generador se transfiere al siguiente, que amplifica el pulso, y así sucesivamente. Por ejemplo, se prevé que el generador DEMG se alimente mediante un generador tipo MK-2.

Además, estos pueden ser destruidos justo después de un experimento, o usados ​​repetidamente mientras se cumpla con el tiempo de uso aceptable. [ 7 ]

generadores de tubos huecos

En la primavera de 1952, RZ Lyudaev, EA Feoktistova , GA Tsyrkov y AA Chvileva llevaron a cabo el primer experimento con este tipo de generador, con el objetivo de obtener un campo magnético muy intenso.

Generador de tubo hueco.

El generador MK-1 funciona de la siguiente manera:

  • Se genera un campo magnético longitudinal dentro de un conductor metálico hueco mediante la descarga de un conjunto de condensadores en el solenoide que rodea el cilindro. Para asegurar una rápida penetración del campo en el cilindro, este presenta una ranura que se cierra rápidamente a medida que se deforma.
  • La carga explosiva colocada alrededor del tubo se detona de manera que se garantiza que la compresión del cilindro comience cuando la corriente que atraviesa el solenoide esté en su valor máximo;
  • La onda de choque cilíndrica convergente liberada por la explosión produce una rápida contracción (superior a 1  km/s) del cilindro central, comprimiendo el campo magnético y creando una corriente inductiva, según la explicación anterior (la velocidad de contracción permite, en primera aproximación, despreciar las pérdidas de Joule y considerar el 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 en el espacio libre "aire" es lo mismo que H = B/μ 0 = (3 V s /m 2 ) / (4π × 10 −7 V s /Am) =2,387 × 10⁶ A  /m (aproximadamente 2,4 MA/m).

Generadores helicoidales

Los generadores helicoidales se concibieron principalmente para suministrar una corriente intensa a una carga situada a una distancia segura. Se utilizan frecuentemente como primera etapa de un generador multietapa, cuya corriente de salida se emplea para generar un campo magnético muy intenso en un segundo generador.

Función de un generador helicoidal.

Los generadores MK-2 funcionan de la siguiente manera:

  • Se genera un campo magnético longitudinal entre un conductor metálico y un solenoide circundante, mediante la descarga de una batería de condensadores en el solenoide;
  • Una vez encendida la carga, una onda de detonación se propaga 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 que no están en cortocircuito, comprimiendo el campo magnético y creando una corriente inductiva;
  • En el punto de máxima compresión del flujo, se abre el interruptor de carga, que entonces suministra la corriente máxima a la carga.

El generador MK-2 es particularmente interesante para la producción de corrientes intensas, de hasta 10⁸ A ( 100 mA), así como un campo magnético de muy alta energía, ya que hasta el 20 % de la energía explosiva se puede convertir en energía magnética, y la intensidad del campo puede alcanzar los 2 × 10⁶ gauss (200 T).    

La puesta en práctica de sistemas MK-2 de alto rendimiento requirió la realización de estudios fundamentales por parte de un amplio equipo de investigadores; esto se logró efectivamente en 1956, tras 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

Generadores de discos

Un generador DEMG funciona de la siguiente manera:

  • Discos metálicos conductores, ensamblados en pares enfrentados para crear módulos huecos con forma de toroide revestido , con explosivo empaquetado entre pares de módulos, se apilan dentro de un cilindro; [ 8 ] 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 eléctrica, suministrada por un generador MK-2, circula por el dispositivo, y se crea un intenso campo magnético en el interior de cada módulo.
  • Al iniciarse, la explosión comienza en el eje y se propaga radialmente hacia afuera, deformando las protuberancias en forma de disco con sección triangular y empujándolas lejos del eje. El movimiento hacia afuera de esta sección del conductor actúa como 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 atracción simultánea de las caras internas, creando también una corriente inductiva.
  • Cuando la corriente inducida alcanza su valor máximo, el interruptor de apertura del fusible se funde y el interruptor de carga se cierra simultáneamente, permitiendo que la corriente se suministre a la carga (el mecanismo de funcionamiento del interruptor de carga no se explica en la documentación disponible).

En VNIIEF se han desarrollado sistemas que utilizan hasta 25 módulos. Un generador de un metro de diámetro, compuesto por tres módulos, ha producido una potencia de salida de 100 MJ a 256 mA.  

Véase también

Referencias

  1. ↑ Solem, JC; Sheppard, MG (1997). "Química cuántica experimental en campos magnéticos ultraaltos: algunas oportunidades". International Journal of Quantum Chemistry . 64 (5): 619– 628. doi : 10.1002/(sici)1097-461x(1997)64:5 < 619::aid-qua13 > 3.0.co ; 2-y .
  2. ↑ Terletskii, Ia. P. (agosto de 1957). "Producción de campos magnéticos muy fuertes mediante compresión rápida de capas conductoras" (PDF) . JETP . 5 (2): 301–202 .
  3. 1 2 Sakharov, AD (7 de diciembre de 1982). Obras científicas completas . Marcel Dekker . ISBN 978-0824717148.
  4. ↑ Existen otras técnicas que no dependen de explosivos. En particular, véase: Esquema de compresión de flujo utilizado en el centro de estudios de Gramat, tesis doctoral, Mathias Bavay, 8 de julio de 2002.
  5. ^ Sajarov, AD (enero de 1966). "Generadores de energía" (PDF) . Uspekhi Fizicheskikh Nauk (en ruso). 88 (4): 725– 734. doi : 10.3367/UFNr.0088.196604e.0725 .Traducido como: Sakharov, AD (1966). "Generadores magnetoimplosivos". Soviet Physics Uspekhi . 9 (2): 294– 299. Bibcode : 1966SvPhU...9..294S . doi : 10.1070/PU1966v009n02ABEH002876 .Republicado como: Sajarov, AD; et al. (1991). "Generadores de energía" (PDF) . Uspekhi Fizicheskikh Nauk (en ruso). 161 (5): 51– 60. doi : 10.3367/UFNr.0161.199105g.0051 . Traducido como: Sakharov, AD; et al. (1991). "Generadores magnetoimplosivos". Soviet Physics Uspekhi . 34 (5): 387– 391. Bibcode : 1991SvPhU..34..385S . doi : 10.1070/PU1991v034n05ABEH002495 . 
  6. ↑ Younger, 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).
  7. ↑ Coyne, Kristin (2008). "7. Imanes pulsados: breves momentos brillantes" . Imanes de mini a poderosos . Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos . Archivado del original el 20 de diciembre de 2014. Recuperado el 21 de mayo de 2014 .
  8. ↑ En la práctica, cada elemento prefabricado, destinado a ser ensamblado en un cilindro, corresponde a un dispositivo explosivo rodeado por dos discos, lo que explica por qué la línea de discos termina en cada extremo con un medio módulo hueco.
  • Colaboraciones científicas entre Los Alamos y Arzamas-16 mediante generadores de compresión de flujo impulsados ​​por explosivos.
  • Introducción a los generadores de compresión de flujo magnético explosivo
  • Generación de campos magnéticos ultraaltos para AGEX (LANL)
  • Fuentes de energía magnética explosivas de superpotencia (VK Chernyshev, VNIIEF)
  • Experimentos a alta velocidad de deformación para determinar la resistencia a la fluencia dinámica del cobre.
  • Fusión de blancos magnetizados: un enfoque de energía ultra alta en un espacio de parámetros inexplorado