Z-машина: аналог приходит на помощь цифре
Сейчас, когда многим кажется, что нет предела возможностям суперкомпьютеров, даже специалисты, стали забывать, что кроме цифровых вычислительных машин в технике некогда широко применялись аналоговые. Но, похоже, аналоговые вычислительные установки еще не сказали своего последнего слова.
Для начала несколько слов о том, как работают аналоговые вычислительные машины. Представьте, что вам нужно решить классическую задачу о бассейне и двух трубах. Через одну трубу в бассейн вода вливается, через другую выливается, а вам нужно определить, сколько воды окажется в бассейне спустя определенное количество времени.
В школе вы справляетесь с подобными задачами без всяких компьютеров. Несложно, впрочем, составить и программу для подобных расчетов. Тогда нужно будет лишь подставлять исходные данные, и компьютер автоматически даст ответ.
А в былые времена, чтобы отслеживать подобные процессы в реальном масштабе времени, могли создать и вот такую аналоговую схему (см. рис.). Переменное сопротивление R1 представляло собой аналог первой трубы с краном, сопротивление R2 — второй. Течение постоянного тока заменяло течение воды, а заряд конденсатора С показывал объем воды в бассейне. Меняйте, как угодно, величины сопротивлений, и, замеряя величину напряжения на конденсаторе, вы всегда будет знать, сколько воды в бассейне.
Электрическая схема процессов, протекающих в бассейне, может выглядеть, например, так.
Конечно, мы взяли для примера наипростейшую задачу. И соответственно, аналоговая схема тоже получилась весьма простенькой. В настоящих аналоговых машинах схемы были куда сложнее. Но суть дела от этого не меняется, даже если речь заходит, скажем, о моделировании… ядерных взрывов.
Сейчас, как известно, реальные ядерные испытания ни одна из ведущих стран мира не проводит. Тем не менее, совершенствование ядерных и термоядерных устройств продолжается. А как проверить, по верному ли пути движутся ученые и конструкторы?
Обычно прибегают к моделированию взрывов на суперкомпьютерах. Но даже американцы, которые считают разработку суперкомпьютеров стратегическим направлением, понимают, что в основе любых расчетов в конечном счете должны лежать некие реальные данные. И тогда на помощь вычислительным машинам приходят аналоговые установки, которые позволяют моделировать если не весь ядерный взрыв целиком, то хотя бы отдельные его факторы.
Например, один из основных поражающих факторов ядерного взрыва — радиация или жесткое электромагнитное излучение. Казалось бы, смоделировать его довольно просто — всем известный рентгеновский аппарат является, между прочим, и источником радиации.
Однако в данном случае, чтобы дать реальную картину, источник излучения должен иметь мощность, сравнимую с ядерным взрывом. Такой рентгеновский излучатель и был создан в Национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratories) министерства энергетики США. Он получил полуофициальное название «Z-машина».
Центральное место в конструкции занимает разрядник особой конструкции. Два металлических кольца диаметром около 4 см соединены сотнями вольфрамовых нитей, каждая из которых много тоньше человеческого волоса. В строго определенный момент через эту паутину разряжаются 36 батарей мощных конденсаторов особой конструкции, способных выдерживать большую пиковую нагрузку — так называемых генераторов Маркса. Под действием тока в 26 млн. ампер вольфрамовые волоски мгновенно испаряются, а мощное магнитное поле разряда сжимает плазму в тонкий шнур и вытягивает вдоль оси цилиндра.
Происходит своего рода взрыв. Только продукты взрыва и ударная волна распространяются не в стороны, как обычно, а, напротив, происходит процесс имплозии (implosion), сжатия — своего рода как бы «взрыв вовнутрь».
При этом ионы разгоняются и сталкиваются друг с другом со скоростью несколько тысяч километров в секунду. Температура в центре устройства может превысить 1,5 млн. градусов, а в виде рентгеновского излучения выделяется примерно 1,6 мегаджоуля энергии. Примерно столько же выделяется при сгорания 40 г бензина.
На первый взгляд это немного. Но не забывайте, что вспышка длится всего около 50 наносекунд (50 миллиардных долей секунды), и в результате мощность рентгеновской вспышки составляет около 30 тераватт (в пике еще больше). А эта величина уже на порядок превышает суммарную мощность всех электростанций Земли.
Суперконденсатор, или генератор Маркса, внешне похож на прозрачную трубку (внешняя обкладка конденсатора), внутри которой расположен центральный электрод (внутренняя обкладка конденсатора).
Поэтому на Z-машине удается моделировать не только ядерные, но и термоядерные взрывы. Когда в фокус разряда поместили маленькую капсулу с дейтерием, в момент вспышки был зарегистрирован поток нейтронов, что говорит о протекании реакций термоядерного синтеза. Поэтому Национальное управление по ядерной безопасности США выделило 61,7 млн. долларов на совершенствование Z-машины. Пиковую мощность планируется повысить до 2,7 мегаджоулей, а количество экспериментов с 200 до 400 в год.
По материалам журнала Popular Science