В исследованиях термоядерной энергии Z-пинч ( дзета-пинч ) представляет собой тип системы удержания плазмы , которая использует электрический ток в плазме для генерации магнитного поля, которое сжимает ее (см. Пинч ). Эти системы первоначально назывались просто пинчем или пинчем Беннета (в честь Уилларда Харрисона Беннета ), 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, вызывающая пинч-эффект из-за тока, протекающего в этом направлении, правильно называется системой Z-пинча, и это включает в себя широкий спектр устройств, используемых для столь же широкого спектра целей. Ранние варианты использования были сосредоточены на исследованиях термоядерного синтеза в трубках пончиковой формы с осью Z, проходящей внутри трубки, в то время как современные устройства, как правило, имеют цилиндрическую форму и используются для генерации источников рентгеновского излучения высокой интенсивности для изучения ядерного оружия и других целей. . Это один из первых подходов к термоядерным энергетическим устройствам, наряду со стелларатором и магнитным зеркалом .
Z-пинч — это приложение силы Лоренца , при котором проводник с током в магнитном поле испытывает действие силы. Одним из примеров силы Лоренца является то, что если по двум параллельным проводам течет ток в одном направлении, провода будут притягиваться друг к другу. В машине Z-пинча провода заменены плазмой , которую можно представить как множество проводов с током. Когда через плазму протекает ток, частицы в плазме притягиваются друг к другу под действием силы Лоренца, таким образом плазма сжимается. Сжатию противодействует увеличивающееся давление газа в плазме.
Поскольку плазма электропроводна, магнитное поле поблизости будет индуцировать в ней ток. Это дает возможность подавать ток в плазму без физического контакта, что важно, поскольку плазма может быстро разрушить механические электроды . В практических устройствах это обычно осуществлялось путем размещения плазменного сосуда внутри сердечника трансформатора , расположенного так, чтобы сама плазма была вторичной. Когда ток подавался в первичную обмотку трансформатора, магнитное поле индуцировало ток в плазме. Поскольку индукция требует изменяющегося магнитного поля, а в большинстве конструкций реакторов предполагается, что индуцированный ток течет в одном направлении, ток в трансформаторе необходимо увеличивать с течением времени, чтобы создать изменяющееся магнитное поле. Это накладывает ограничение на произведение времени удержания и магнитного поля для любого источника энергии.
В машинах с Z-пинчем ток обычно подается из большой батареи конденсаторов и запускается искровым разрядником , известным как банк Маркса или генератор Маркса . Поскольку проводимость плазмы довольно хорошая, примерно такая же, как у меди , энергия, запасенная в источнике питания, быстро истощается при прохождении через плазму. Устройства Z-пинч по своей природе являются импульсными.
Пинч-устройства были одними из первых попыток термоядерного синтеза. Исследования начались в Великобритании сразу после войны, но отсутствие интереса привело к незначительному развитию до 1950-х годов. Объявление о проекте Хуэмуль в начале 1951 года привело к попыткам термоядерного синтеза по всему миру, особенно в Великобритании и США (см. Возможноатрон , машину с z-пинчем в LANL ). Небольшие эксперименты проводились в лабораториях для решения различных практических задач, но все эти машины демонстрировали неожиданную нестабильность плазмы, из-за которой она ударялась о стенки контейнеровоза. Проблема стала известна как « кинк-неустойчивость ».
К 1953 году «стабилизированный пинч», казалось, решил проблемы, возникавшие в более ранних устройствах. Стабилизированные пинч-машины добавили внешние магниты, которые создавали тороидальное магнитное поле внутри камеры. При срабатывании устройства это поле добавлялось к полю, создаваемому током в плазме. В результате ранее прямое магнитное поле скрутилось в спираль, по которой частицы следовали, перемещаясь по трубке, движимой током. Частица вблизи внешней части трубки, которая хотела развернуться наружу, будет двигаться вдоль этих линий, пока не вернется внутрь трубки, где ее направленное наружу движение вернет ее обратно в центр плазмы.
Исследователи из Великобритании начали строительство ZETA в 1954 году. ZETA была крупнейшим термоядерным устройством своего времени. В то время почти все исследования в области термоядерного синтеза были засекречены, поэтому о прогрессе ZETA вообще ничего не было известно за пределами лабораторий, работавших над ним. Однако американские исследователи посетили ZETA и поняли, что их вот-вот опередят. Команды по обе стороны Атлантики стремились первыми создать стабилизированные пинч-машины.
ZETA выиграла гонку и к лету 1957 года производила всплески нейтронов при каждом заезде. Несмотря на сомнения исследователей, их результаты были опубликованы с большой помпой как первый успешный шаг на пути к коммерческой термоядерной энергии. Однако дальнейшее исследование вскоре показало, что измерения вводили в заблуждение, и ни одна из машин не приблизилась к уровню термоядерного синтеза. Интерес к пинч-устройствам угас, хотя ZETA и ее двоюродный брат Scepter долгие годы служили экспериментальными устройствами.
Концепция термоядерной двигательной установки Z-пинч была разработана в результате сотрудничества НАСА и частных компаний. [1] Энергия, выделяемая эффектом Z-пинча, разгонит литиевое топливо до высокой скорости, в результате чего удельный импульс составит 19 400 с, а тяга — 38 кН. Для преобразования выделяемой энергии в полезный импульс потребуется магнитное сопло. Этот метод движения потенциально может сократить время межпланетных путешествий. Например, полет на Марс займет около 35 дней в одну сторону при общем времени горения 20 дней и массе сгоревшего топлива 350 тонн. [2]
Хотя в течение многих лет она оставалась относительно неизвестной, 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 плазменном токе. Это уменьшило нестабильность из-за больших токов в плазме и привело к значительному повышению стабильности. Результаты были настолько впечатляющими, что другие исследователи отнеслись к ним скептически, когда о них впервые было объявлено в 1968 году. Для проверки результатов были вызваны члены все еще действующей команды ZETA. Токамак стал наиболее изученным подходом к управляемому термоядерному синтезу.
Для стабилизации поперечного потока используется один или несколько высокоскоростных кольцевых слоев плазмы, окружающих плазменную нить, для стабилизации нити против нестабильности перекручивания и сжатия. [3] [4]
В 2018 году Z-пинч, стабилизированный сдвиговым потоком, продемонстрировал генерацию нейтронов. Он был построен термоядерной компанией Zap Energy , Inc., [5] дочерней компанией Вашингтонского университета , [6] и финансировался стратегическими и финансовыми инвесторами, а также грантами Агентства перспективных исследовательских проектов в области энергетики (ARPA). Е). [7] [8] Стабилизированная по потоку плазма оставалась стабильной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма. [9] Смесь, состоящая из 20% дейтерия и 80% водорода под давлением, вызывала эмиссию нейтронов продолжительностью около 5 мкс с токами пинча около 200 кА в течение периода покоя плазмы примерно 16 мкс. Средний выход нейтронов оценивался в (1,25±0,45)×10 5 нейтронов/импульс. Были измерены температуры плазмы 1–2 кэВ (12–24 млн °C) и плотность примерно 10 17 см –3 с радиусом пинча 0,3 см. [10]
Z-пинч-машины можно найти в Университете Невады, Рино (США), Корнельском 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).