Войти
Z-пинч в лабораторном масштабе, показывающий свечение расширенной водородной плазмы. Пинч и ток ионизации протекает через газ и возвращается через стержни, окружающие плазменный сосуд. В исследованиях термоядерной энергии Z-пинч, также известный как дзета-пинч, представляет собой систему удержания плазмы, которая использует электрический ток в плазме для генерации магнитное поле, сжимающее его (см. щепотка ). Эти системы первоначально назывались просто зажимом или зажимом Беннета (после Уиллард Харрисон Беннетт ), но с появлением θ-зажима Концепция привела к необходимости повышенной ясности.
Название относится к направлению тока в устройствах, оси Z на нормальном трехмерном графике. Любая машина, которая вызывает защемляющий эффект из-за тока, протекающего в этом направлении, правильно называется системой Z-pinch, и это включает в себя широкий спектр устройств, используемых для столь же широкого разнообразия целей. Раннее использование было сосредоточено на исследованиях термоядерного синтеза в трубках в форме пончика с осью Z, проходящей по внутренней части трубки, в то время как современные устройства, как правило, имеют цилиндрическую форму и используются для генерации источников рентгеновского излучения высокой интенсивности для исследования ядерное оружие и другие роли.
Z-пинч - это приложение силы Лоренца, в котором на проводник с током в магнитном поле действует сила. Одним из примеров силы Лоренца является то, что если два параллельных провода проводят ток в одном и том же направлении, провода будут тянуться друг к другу. В машине Z-пинча провода заменены на плазменный, который можно представить себе как множество токоведущих проводов. Когда через плазму проходит ток, частицы в плазме притягиваются друг к другу силой Лоренца, таким образом плазма сжимается. Сжатию противодействует увеличение давления газа плазмы.
Так как плазма электрически проводящая, близлежащее магнитное поле будет индуцировать в ней ток. Это дает возможность пропустить 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 для индукции требуется изменяющееся магнитное поле, 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 данного источника энергии.
В машинах Z-пинча ток обычно подается от 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-пинча по своей природе являются импульсными.
Ранняя фотография нестабильности перегиба в тороидальном зажиме - трубка из пирекса 3 на 25 в Олдермастоне. Пинч-устройства были одними из первых попыток термоядерная сила. Исследования начались в Великобритании сразу после послевоенной эпохи, но отсутствие интереса привело к незначительному развитию до 1950-х годов. Объявление о проекте Huemul Project в начале 1951 года привело к усилиям по синтезу по всему миру, особенно в Великобритании и США. Небольшие эксперименты проводились в лабораториях, поскольку решались различные практические вопросы, но все эти машины демонстрировали неожиданную нестабильность плазмы, которая могла привести к удару о стенки контейнера. Проблема стала известна как «нестабильность перегиба ».
К 1953 году «стабилизированный зажим», казалось, решил проблемы, с которыми сталкивались более ранние устройства. Стабилизированные пинч-машины добавляли внешние магниты, которые создавали тороидальное магнитное поле внутри камеры. При срабатывании устройства это поле добавлялось к полю, создаваемому током в плазме. В результате бывшее прямое магнитное поле было закручено в спираль, по которой частицы следовали, путешествуя по трубке под действием тока. Частица рядом с внешней стороной трубки, которая хотела изломаться наружу, будет перемещаться по этим линиям, 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, безусловно, крупнейшим термоядерным устройством своей эпохи. В то время почти все исследования термоядерного синтеза были засекречены, поэтому о достижениях ZETA, как правило, ничего не было известно за пределами лабораторий, работающих над ним. Однако американские исследователи посетили ZETA и поняли, что их скоро опередят. Команды по обе стороны Атлантики поспешили первыми укомплектовать стабилизированные пережимные машины.
ZETA выиграла гонку, и к лету 1957 года она производила всплески нейтронов при каждом запуске. Несмотря на оговорки 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 была близка к термоядерным. Интерес к устройствам для зажима угас, хотя ZETA и его кузен Scepter в течение многих лет служили экспериментальными устройствами.
Концепция термоядерной силовой установки с Z-образным зажимом была разработана в результате сотрудничества НАСА и частных компаний. Энергия, выделяемая в результате эффекта Z-пинча, ускоряет литиевое топливо до высокой скорости, в результате чего значение удельного импульса составляет 19400 с, а тяга составляет 38 кН. Для преобразования выделяемой энергии в полезный импульс требуется магнитное сопло. Этот метод движения мог бы значительно сократить время межпланетных путешествий. Например, полет на Марс в один конец займет около 35 дней с общим временем горения 20 дней и массой сгоревшего топлива 350 тонн.
Хотя это оставалось относительно неизвестным В течение многих лет советские ученые использовали концепцию пинча при разработке устройства токамак. В отличие от стабилизированных пинч-устройств в США и Великобритании, токамак потреблял значительно больше энергии в стабилизирующих магнитах и намного 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 были скептически настроены, когда о них впервые было объявлено в 1968 году. Для проверки результатов были вызваны члены все еще действующей команды ZETA. Токамак стал наиболее изученным методом управляемого термоядерного синтеза.
В 2018 г. генерация нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком, была продемонстрирована Zap Energy Inc, дочерней компанией термоядерной компании из Университета Вашингтон.. Текущая плазма оставалась стабилизированной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма. Смесь 20% дейтерия / 80% водорода под давлением вызвала эмиссию нейтронов продолжительностью приблизительно 5 мкс с токами пинча приблизительно 200 кА в течение периода покоя плазмы приблизительно 16 мкс. Средний выход нейтронов был оценен как (1,25 ± 0,45) × 10 нейтронов / импульс. Были измерены температуры плазмы 1-2 кэВ и плотность примерно 10 см с радиусом зажима 0,3 см.
Установка Z-зажима в UAM, Мехико. Машины Z-зажима могут можно найти в Университете Невады, Рино (США), Корнельском университете (США), Мичиганском университете (США), Национальных лабораториях Сандии (США), Калифорнийский университет, Сан-Диего (США), Вашингтонский университет (США), Рурский университет (Германия), Имперский колледж (Великобритания), Политехническая школа (Франция), Институт науки Вейцмана (Израиль), Автономный университет (Мексика), NSTRI (Иран).
