Generador de compresión de flujo bombeado explosivamente

Un generador de compresión de flujo bombeado explosivamente ( EPFCG ) es un dispositivo utilizado para generar un pulso electromagnético de alta potencia mediante la compresión del flujo magnético mediante un alto explosivo .

Los EPFCG se destruyen físicamente durante el 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 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, los efectos secundarios o el enorme alcance de un dispositivo de pulso electromagnético nuclear .

El primer trabajo sobre estos generadores se llevó a cabo en 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 Álamos en los Estados Unidos .

A principios de los años 50, los científicos soviéticos que realizaban investigaciones sobre la fusión nuclear vieron con claridad que necesitaban pulsos eléctricos muy cortos y potentes . El generador Marx , que almacenaba energía en condensadores, era el único dispositivo capaz en aquel momento de producir pulsos de potencia tan elevada. El coste 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 Andréi Sájarov , fueron diseñados para cumplir esta función. ^{[2] [3]}

Los generadores magnetoexplosivos utilizan una técnica denominada "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 (un cable de cobre, por ejemplo) permanezca 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 desprende 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, la reducción del área de la superficie encerrada por un conductor de bucle cerrado con un campo magnético que pasa a través de él, 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 del 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, 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 tener como finalidad 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 crear campos de hasta unos 1000  teslas (unas 1000 veces la fuerza de un imán permanente de neodimio típico) durante unos pocos microsegundos.

Un campo magnético externo (líneas azules) atraviesa 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 abarca el anillo. Las nueve líneas de campo representan el flujo magnético que atraviesa el anillo.${\estilo de visualización \Phi}$${\estilo de visualización B}$${\estilo de visualización A}$

Supongamos que el anillo se deforma, reduciendo su área de sección transversal. El flujo magnético que atraviesa 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 verdes sumadas a las cinco líneas azules dan las nueve líneas de campo originales.

Sumando 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 agujero permanecen dentro del agujero, por lo que el flujo se conserva y se ha creado una corriente en el anillo conductor. Las líneas de campo magnético se "aprietan" para que queden más juntas, por lo que la intensidad del campo magnético (promedio) dentro del anillo aumenta en la proporción del área original con respecto al área final.

El principio básico simple de la 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 bobinado está confinado al interior de un tubo metálico hueco rodeado de explosivos, y sometido a una violenta compresión cuando se disparan los explosivos; un dispositivo del mismo tipo fue desarrollado en Estados Unidos una docena de años más tarde por el equipo de CM (Max) Fowler en Los Álamos .
• 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 de dos en dos, 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, en caso necesario, utilizarse de forma independiente o incluso agruparse en una cadena de etapas sucesivas: la energía producida por cada generador se transfiere al siguiente, que amplifica el impulso, y así sucesivamente. Por ejemplo, está previsto que el generador DEMG sea alimentado por un generador de tipo MK-2.

Además, estos pueden destruirse inmediatamente después de un experimento o usarse una y otra vez respetando el tiempo aceptable de uso. ^[7]

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 elevado.

El generador MK-1 funciona de la siguiente manera:

• Se produce un campo magnético longitudinal en el interior de un conductor metálico hueco, descargando un banco de condensadores en el solenoide que rodea el cilindro. Para asegurar una rápida penetración del campo en el cilindro, hay una ranura en el cilindro, que se cierra rápidamente a medida que el cilindro se deforma;
• La carga explosiva colocada alrededor del tubo se detona de manera que la compresión del cilindro comience cuando la corriente a través del solenoide esté en su máximo;
• La onda de choque cilíndrica convergente desatada por la explosión produce una contracción rápida (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 Joule y considerar el cilindro como un conductor perfecto).

Los primeros experimentos fueron capaces de alcanzar campos magnéticos de millones de gauss (cientos de teslas ), dado un campo inicial de 30 kG (3 T) que es en el espacio libre "aire" lo mismo 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).

Los generadores helicoidales fueron concebidos principalmente para suministrar una corriente intensa a una carga situada a una distancia segura. Se utilizan con frecuencia como primera etapa de un generador multietapa, 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;
• Después de la ignición de 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 contacta con la bobina enrollada helicoidalmente, disminuyendo el número de espiras 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 corriente máxima a la carga.

El generador MK-2 es especialmente interesante para la producción de corrientes intensas, de hasta 10 ⁸  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 2 × 10 ⁶  gauss (200 T).

La realización práctica de sistemas MK-2 de alto rendimiento requirió la realización de estudios fundamentales por parte de un gran 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.

Un generador DEMG funciona de la siguiente manera:

• Discos metálicos conductores, ensamblados en pares enfrentados para crear módulos huecos que tienen la forma de un toro alineado , 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).
• A través del dispositivo circula una corriente eléctrica suministrada por un generador MK-2 y se crea un campo magnético intenso en el interior de cada módulo.
• Al iniciarse, la explosión comienza en el eje y se propaga radialmente hacia el exterior, deformando las protuberancias en forma de disco de sección triangular y alejándolas del eje. El movimiento hacia el exterior de esta sección del conductor cumple la función de un pistón.
• A medida que se produce la explosión, el campo magnético se comprime en el interior de cada módulo por el pistón conductor y el acercamiento simultáneo de las caras internas, creándose también una corriente inductiva.
• Cuando la corriente inducida alcanza su máximo, el interruptor de apertura del fusible se funde y el interruptor de carga se cierra simultáneamente, lo que permite que la corriente se entregue a la carga (el mecanismo de funcionamiento del interruptor de carga no se explica en la documentación disponible).

En el VNIIEF se han desarrollado sistemas que utilizan hasta 25 módulos.  Se ha logrado una potencia de 100 MJ a 256 MA mediante un generador de un metro de diámetro compuesto por tres módulos.

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