stringtranslate.com

Z-щепотка

Z-пинч лабораторного масштаба, демонстрирующий свечение от расширенной водородной плазмы. Ток пинча протекает через газ и возвращается через стержни, окружающие плазменный сосуд.
Настольный тороидальный Z-пинч с индуктивно связанным током в плазме криптона, демонстрирующий интенсивное свечение плазменной нити.

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 .

Физика

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 вторичным контуром. Когда ток посылался в первичную обмотку 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.

История

Ранние машины

Ранняя фотография неустойчивости перегиба в тороидальном зажиме – трубка из пирекса размером 3 на 25 в Олдермастоне.

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 ».

Стабилизированный пинч

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 прямое магнитное поле скручивалось в спираль, 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.

Двигательная установка на основе термоядерного синтеза

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]

Токамак

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.

Стабилизированный сдвиговым потоком

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]

Эксперименты

Машина Z-pinch в Университете Мехико, Мехико.

Z-пинч-машины можно найти в Университете Невады, Рино (США), Корнелльском университете (США), Мичиганском университете (США), Национальных лабораториях Сандии (США), Калифорнийском университете в Сан-Диего (США), Вашингтонском университете. (США), Рурский университет (Германия), Имперский колледж (Великобритания), Политехническая школа (Франция), Институт науки Вейцмана (Израиль), Автономный университет Метрополитана (Мексика), NSTRI (Иран).

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Адамс, Р. "Концептуальный проект Z-Pinch Fusion Propulsion System" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2014-06-30 . Получено 2014-05-20 .
  2. ^ Miernik, J.; Statham, G.; Fabisinski, L.; Maples, CD; Adams, R.; Polsgrove, T.; Fincher, S.; Cassibry, J.; Cortez, R.; Turner, M.; Percy, T. (2013). "Z-Pinch fusion-based nuclear propulsion". Acta Astronautica . 82 (2): 173–82. Bibcode : 2013AcAau..82..173M. doi : 10.1016/j.actaastro.2012.02.012.(требуется подписка)
  3. ^ Форбс, Элеанор Г.; Шумлак, Ури; Маклин, Гарри С.; Нельсон, Брайан А.; Клаво, Эллиот Л.; Голинго, Рэймонд П.; Хиггинсон, Дрю П.; Митрани, Джеймс М.; Степанов, Антон Д.; Таммел, Курт К.; Вебер, Тобин Р. (11 июня 2018 г.). «Прогресс в направлении компактного термоядерного реактора с использованием стабилизированного сдвиговым потоком Z-пинча». Fusion Science and Technology . 75 (7). Informa UK Limited: 599–607. doi : 10.1080/15361055.2019.1622971. OSTI  1632373. S2CID  198442070.
  4. ^ Шумлак, У. (27 мая 2020 г.). "Z-pinch fusion". Журнал прикладной физики . 127 (20). Издательство AIP: 200901. Bibcode : 2020JAP...127t0901S. doi : 10.1063/5.0004228 .
  5. ^ "Zap Energy". Zap Energy .
  6. ^ Nelson, BA; Conway, B.; Shumlak, U.; Weber, TR; Claveau, EL; Draper, ZT; Forbes, EG; Stepanov, AD; Zhang, Y.; McLean, HS; Higginson, DP; Mitrani, JM; Tummel, K. (2019). Разработка компактного термоядерного устройства на основе Z-Pinch потока (PDF) . ARPA–E (Отчет). Advanced Research Projects Agency . Получено 2 апреля 2021 г.
  7. ^ Нельсон, Брайан (15 ноября 2018 г.). «Zap Energy: Разработка электродной технологии для реактора синтеза сдвига потока Z-Pinch». ARPA–E . Агентство перспективных исследовательских проектов . Получено 2 апреля 2021 г.
  8. ^ Нельсон, Брайан (7 апреля 2020 г.). «Zap Energy: улучшение характеристик Z-Pinch со стабилизацией сдвигового потока». ARPA–E . Advanced Research Projects Agency . Получено 2 апреля 2021 г.
  9. ^ Лаварс, Ник (12 апреля 2019 г.). «Прорыв в ядерном синтезе вдохнул жизнь в упущенный из виду подход Z-pinch». Новый Атлас . Получено 14 апреля 2019 г.
  10. ^ Zhang, Y.; Shumlak, U.; Nelson, BA; Golingo, RP; Weber, TR; Stepanov, AD; Claveau, EL; Forbes, EG; Draper, ZT (2019-04-04). "Устойчивое производство нейтронов из стабилизированного сдвиговым потоком Z-пинча". Physical Review Letters . 122 (13): 135001. arXiv : 1806.05894 . Bibcode : 2019PhRvL.122m5001Z. doi : 10.1103/PhysRevLett.122.135001. ISSN  0031-9007. PMID  31012637. S2CID  51680710.

Внешние ссылки