В исследованиях термоядерной энергетики Z-пинч ( дзета-пинч ) — это тип системы удержания плазмы , которая использует электрический ток в плазме для создания магнитного поля, которое сжимает ее (см. пинч ). Первоначально эти системы назывались просто пинчами или пинчами Беннетта (в честь Уилларда Харрисона Беннетта ), но введение концепции θ-пинча (тета-пинча) привело к необходимости более ясной и точной терминологии.
Название относится к направлению тока в устройствах, оси Z на декартовом трехмерном графике . Любая машина, которая вызывает эффект пинча из-за тока, текущего в этом направлении, правильно называется системой Z-пинча, и это охватывает широкий спектр устройств, используемых для столь же широкого спектра целей. Ранние применения были сосредоточены на исследованиях термоядерного синтеза в трубках в форме пончика с осью Z, проходящей внутри трубки, в то время как современные устройства, как правило, цилиндрические и используются для генерации источников рентгеновского излучения высокой интенсивности для изучения ядерного оружия и других целей. Это один из первых подходов к устройствам термоядерной энергии , наряду со стелларатором и магнитным зеркалом .
Z-пинч — это применение силы Лоренца , при котором проводник с током в магнитном поле испытывает силу. Одним из примеров силы Лоренца является то, что если два параллельных провода несут ток в одном направлении, провода будут притягиваться друг к другу. В машине Z-пинча провода заменяются плазмой , которую можно рассматривать как множество проводов с током. Когда ток проходит через плазму, частицы в плазме притягиваются друг к другу силой Лоренца, таким образом, плазма сжимается. Сжатию противодействует увеличивающееся давление газа плазмы.
Поскольку плазма электропроводна, магнитное поле поблизости индуцирует в ней ток. Это дает возможность пропускать ток в плазму без физического контакта, что важно, поскольку плазма может быстро разрушать механические электроды . В практических устройствах это обычно устраивалось путем помещения плазменного сосуда внутрь сердечника трансформатора , расположенного так, чтобы сама плазма была вторичной. Когда ток посылался в первичную сторону трансформатора, магнитное поле индуцировало ток в плазму. Поскольку индукция требует изменяющегося магнитного поля, а индуцированный ток должен течь в одном направлении в большинстве конструкций реакторов, ток в трансформаторе должен со временем увеличиваться, чтобы создать изменяющееся магнитное поле. Это накладывает ограничение на произведение времени удержания и магнитного поля для любого заданного источника энергии.
В машинах Z-pinch ток обычно поступает из большого банка конденсаторов и запускается искровым разрядником , известным как банк Маркса или генератор Маркса . Поскольку проводимость плазмы довольно хорошая, примерно как у меди , энергия, запасенная в источнике питания, быстро истощается, проходя через плазму. Устройства Z-pinch по своей природе импульсные.
Устройства с пинчем были одними из самых ранних попыток в области термоядерной энергетики. Исследования начались в Великобритании сразу после войны, но отсутствие интереса привело к незначительному развитию до 1950-х годов. Объявление о проекте Huemul в начале 1951 года привело к попыткам термоядерного синтеза по всему миру, особенно в Великобритании и США (см. Maybeatron , z-пинч-машину в LANL ). Небольшие эксперименты проводились в лабораториях по мере решения различных практических вопросов, но все эти машины демонстрировали неожиданную нестабильность плазмы, которая могла привести к ее удару о стенки контейнера-сосуда. Проблема стала известна как « нестабильность перегиба ».
К 1953 году «стабилизированный пинч», казалось, решил проблемы, с которыми сталкивались более ранние устройства. Стабилизированные пинч-машины добавляли внешние магниты, которые создавали тороидальное магнитное поле внутри камеры. Когда устройство запускалось, это поле добавлялось к полю, созданному током в плазме. В результате прежнее прямолинейное магнитное поле скручивалось в спираль, по которой следовали частицы, перемещаясь по трубке, движимой током. Частица, находящаяся вблизи внешней стороны трубки и желающая выгнуться наружу, перемещалась по этим линиям, пока не возвращалась внутрь трубки, где ее направленное наружу движение возвращало ее обратно в центр плазмы.
Исследователи в Великобритании начали строительство ZETA в 1954 году. ZETA была самым большим термоядерным устройством своей эпохи. В то время почти все исследования термоядерного синтеза были засекречены, поэтому прогресс в ZETA был в целом неизвестен за пределами лабораторий, работающих над ним. Однако американские исследователи посетили ZETA и поняли, что их вот-вот опередят. Команды по обе стороны Атлантики поспешили стать первыми, кто закончит стабилизированные пинч-машины.
ZETA выиграла гонку, и к лету 1957 года она производила вспышки нейтронов при каждом запуске. Несмотря на сомнения исследователей, их результаты были обнародованы с большой помпой как первый успешный шаг на пути к коммерческой термоядерной энергии. Однако дальнейшее исследование вскоре показало, что измерения были обманчивыми, и ни одна из машин не была близка к уровням термоядерного синтеза. Интерес к пинч-устройствам угас, хотя ZETA и ее двоюродный брат Sceptre в течение многих лет служили экспериментальными устройствами.
Концепция системы термоядерного двигателя Z-pinch была разработана в результате сотрудничества NASA и частных компаний. [1] Энергия, высвобождаемая эффектом Z-pinch, разгонит литиевое топливо до высокой скорости, что приведет к удельному импульсу 19400 с и тяге 38 кН. Для преобразования высвобождаемой энергии в полезный импульс потребуется магнитное сопло. Этот метод движения может потенциально сократить время межпланетных путешествий. Например, миссия на Марс займет около 35 дней в одну сторону с общим временем сгорания 20 дней и массой сожженного топлива 350 тонн. [2]
Хотя это оставалось относительно неизвестным в течение многих лет, советские ученые использовали концепцию пинча для разработки устройства токамак . В отличие от стабилизированных пинч-устройств в США и Великобритании, токамак использовал значительно больше энергии в стабилизирующих магнитах и гораздо меньше в токе плазмы. Это уменьшило нестабильности из-за больших токов в плазме и привело к значительному улучшению стабильности. Результаты были настолько впечатляющими, что другие исследователи были скептически настроены, когда они были впервые объявлены в 1968 году. Члены все еще работающей команды ZETA были вызваны для проверки результатов. Токамак стал наиболее изученным подходом к управляемому термоядерному синтезу.
Стабилизация сдвигового потока использует один или несколько высокоскоростных кольцевых плазменных слоев, окружающих плазменную нить, для стабилизации нити против неустойчивости перегиба и зажима. [3] [4]
В 2018 году стабилизированный сдвиговым потоком Z-пинч продемонстрировал генерацию нейтронов. Он был построен термоядерной компанией Zap Energy , Inc. [5] , ответвлением Вашингтонского университета , [ 6] и профинансирован стратегическими и финансовыми инвесторами и грантами Агентства перспективных исследовательских проектов — Энергия ( ARPA-E ). [7] [8] Стабилизированная потоком плазма оставалась стабильной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма. [9] Смесь 20% дейтерия и 80% водорода под давлением производила нейтронные выбросы продолжительностью около 5 мкс с токами пинча около 200 кА в течение примерно 16 мкс периода покоя плазмы. Средний выход нейтронов оценивался в (1,25±0,45)×10 5 нейтронов/импульс. Были измерены температуры плазмы 1–2 кэВ (12–24 миллиона °C) и плотности приблизительно 10 17 см −3 с радиусом пинча 0,3 см. [10]
Машины Z-pinch можно найти в Университете Невады в Рино (США), Корнеллском университете (США), Мичиганском университете (США), Национальных лабораториях Сандия (США), Калифорнийском университете в Сан-Диего (США), Вашингтонском университете (США), Рурском университете (Германия), Имперском колледже (Великобритания), Политехнической школе (Франция), Научном институте Вейцмана (Израиль), Автономном университете Метрополитана (Мексика), NSTRI (Иран).