Z-пинч

В термоядерной энергии исследованиях 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 четкой 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 .

Физика

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.

История

Ранние машины

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 Хуэмул в начале 1951 года привело к попыткам термоядерного синтеза по всему миру, особенно в Великобритании и США (см. Возможноатрон , машину z-пинча в LANL ). Небольшие эксперименты проводились в лабораториях для решения различных практических задач, но все эти машины продемонстрировали неожиданную нестабильность плазмы, из-за которой она ударялась о стенки контейнеровоза. Проблема стала известна как « кинк-неустойчивость ».

Стабилизированный зажим

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, расположенная вблизи внешней части трубки и желающая 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.

Движение на основе термоядерного синтеза

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]

Токамак

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.

Стабилизированный сдвиговый поток

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. Его построила термоядерная компания Zap Energy , Inc. ^[5] спин -офф университета Вашингтонского , ^[6] и финансируется стратегическими и финансовыми инвесторами и грантами Агентства перспективных исследовательских проектов в энергетике ( ARPA-E ). ^[7]^[8] Стабилизированная потоком плазма оставалась стабильной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма. ^[9] Смесь, состоящая из 20% дейтерия и 80% водорода по давлению, вызывала эмиссию нейтронов длительностью примерно 5 мкс с токами пинча примерно 200 кА в течение периода покоя плазмы примерно 16 мкс. Средний выход нейтронов оценивался в (1,25±0,45)×10. ⁵ нейтроны/импульс. Температура плазмы 1–2 кэВ (12–24 миллионов ° C) и плотность примерно 10 ¹⁷ см ⁻³ с радиусом пинча 0,3 см. ^[10]

Эксперименты

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).

См. также

Ссылки

^ Адамс, Р. «Концептуальный проект термоядерной двигательной установки Z-Pinch» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 июня 2014 г. Проверено 20 мая 2014 г.
^ Мирник, Дж.; Стэтхэм, Дж.; Фабисински, Л.; Клены, компакт-диск; Адамс, Р.; Полсгроув, Т.; Финчер, С.; Кассибри, Дж.; Кортес, Р.; Тернер, М.; Перси, Т. (2013). «Ядерная двигательная установка на основе термоядерного синтеза Z-Pinch». Акта Астронавтика . 82 (2): 173–82. Бибкод : 2013AcAau..82..173M . дои : 10.1016/j.actaastro.2012.02.012 . (требуется подписка)
^ Форбс, Элеонора Г.; Шумлак, Ури; Маклин, Гарри С.; Нельсон, Брайан А.; Клаво, Эллиот Л.; Голинго, Раймонд П.; Хиггинсон, Дрю П.; Митрани, Джеймс М.; Степанов Антон Дмитриевич; Таммел, Курт К.; Вебер, Тобин Р. (11 июня 2018 г.). «Прогресс в создании компактного термоядерного реактора с использованием Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Наука и технология термоядерного синтеза . 75 (7). Информа UK Limited: 599–607. дои : 10.1080/15361055.2019.1622971 . ОСТИ 1632373 . S2CID 198442070 .
^ Шумлак, У. (27 мая 2020 г.). «Слияние Z-пинча» . Журнал прикладной физики . 127 (20). Издательство AIP: 200901. Бибкод : 2020JAP...127t0901S . дои : 10.1063/5.0004228 .
^ «Зап Энергия» . Зап Энергия .
^ Нельсон, бакалавр; Конвей, Б.; Шумлак, У.; Вебер, ТР; Клаво, Эль; Дрейпер, З.Т.; Форбс, Е.Г.; Степанов А.Д.; Чжан, Ю.; Маклин, HS; Хиггинсон, ДП; Митрани, Дж. М.; Таммел, К. (2019). Разработка компактного термоядерного устройства на основе Flow Z-Pinch (PDF) . АРПА-Э (Отчет). Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.
^ Нельсон, Брайан (15 ноября 2018 г.). «Zap Energy: Разработка электродной технологии для термоядерного реактора Z-пинча со сдвиговым потоком» . АРПА-Э . Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.
^ Нельсон, Брайан (7 апреля 2020 г.). «Zap Energy: улучшение характеристик Z-пинча со стабилизацией поперечного потока» . АРПА-Э . Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.
^ Лаварс, Ник (12 апреля 2019 г.). «Прорыв в области ядерного синтеза вдохнул жизнь в забытый подход Z-пинча» . Новый Атлас . Проверено 14 апреля 2019 г.
^ Чжан, Ю.; Шумлак, У.; Нельсон, бакалавр; Голинго, РП; Вебер, ТР; Степанов А.Д.; Клаво, Эль; Форбс, Е.Г.; Дрейпер, ЗТ (04 апреля 2019 г.). «Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Письма о физических отзывах . 122 (13): 135001. arXiv : 1806.05894 . Бибкод : 2019PhRvL.122m5001Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.122.135001 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 31012637 . S2CID 51680710 .

Внешние ссылки

Z Machine (Sandia Labs)
Концепция электростанции Z-Pinch на основе инерционного синтеза (Sandia Labs)
Путь разработки Z-pinch IFE. Архивировано 10 апреля 2008 г. в Wayback Machine.
«Физика «Одиннадцати друзей Оушена»»
Проект MAGPIE в Имперском колледже Лондона. Архивировано 6 апреля 2010 г. в Wayback Machine. Он используется для изучения имплозии Z-пинча массива проволок.

[1] Адамс, Р. «Концептуальный проект термоядерной двигательной установки Z-Pinch» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 июня 2014 г. Проверено 20 мая 2014 г.

[2] Мирник, Дж.; Стэтхэм, Дж.; Фабисински, Л.; Клены, компакт-диск; Адамс, Р.; Полсгроув, Т.; Финчер, С.; Кассибри, Дж.; Кортес, Р.; Тернер, М.; Перси, Т. (2013). «Ядерная двигательная установка на основе термоядерного синтеза Z-Pinch». Акта Астронавтика . 82 (2): 173–82. Бибкод : 2013AcAau..82..173M . дои : 10.1016/j.actaastro.2012.02.012 . (требуется подписка)

[3] Форбс, Элеонора Г.; Шумлак, Ури; Маклин, Гарри С.; Нельсон, Брайан А.; Клаво, Эллиот Л.; Голинго, Раймонд П.; Хиггинсон, Дрю П.; Митрани, Джеймс М.; Степанов Антон Дмитриевич; Таммел, Курт К.; Вебер, Тобин Р. (11 июня 2018 г.). «Прогресс в создании компактного термоядерного реактора с использованием Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Наука и технология термоядерного синтеза . 75 (7). Информа UK Limited: 599–607. дои : 10.1080/15361055.2019.1622971 . ОСТИ 1632373 . S2CID 198442070 .

[4] Шумлак, У. (27 мая 2020 г.). «Слияние Z-пинча» . Журнал прикладной физики . 127 (20). Издательство AIP: 200901. Бибкод : 2020JAP...127t0901S . дои : 10.1063/5.0004228 .

[5] «Зап Энергия» . Зап Энергия .

[6] Нельсон, бакалавр; Конвей, Б.; Шумлак, У.; Вебер, ТР; Клаво, Эль; Дрейпер, З.Т.; Форбс, Е.Г.; Степанов А.Д.; Чжан, Ю.; Маклин, HS; Хиггинсон, ДП; Митрани, Дж. М.; Таммел, К. (2019). Разработка компактного термоядерного устройства на основе Flow Z-Pinch (PDF) . АРПА-Э (Отчет). Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.

[7] Нельсон, Брайан (15 ноября 2018 г.). «Zap Energy: Разработка электродной технологии для термоядерного реактора Z-пинча со сдвиговым потоком» . АРПА-Э . Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.

[8] Нельсон, Брайан (7 апреля 2020 г.). «Zap Energy: улучшение характеристик Z-пинча со стабилизацией поперечного потока» . АРПА-Э . Агентство перспективных исследовательских проектов . Проверено 2 апреля 2021 г.

[9] Лаварс, Ник (12 апреля 2019 г.). «Прорыв в области ядерного синтеза вдохнул жизнь в забытый подход Z-пинча» . Новый Атлас . Проверено 14 апреля 2019 г.

[10] Чжан, Ю.; Шумлак, У.; Нельсон, бакалавр; Голинго, РП; Вебер, ТР; Степанов А.Д.; Клаво, Эль; Форбс, Е.Г.; Дрейпер, ЗТ (04 апреля 2019 г.). «Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Письма о физических отзывах . 122 (13): 135001. arXiv : 1806.05894 . Бибкод : 2019PhRvL.122m5001Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.122.135001 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 31012637 . S2CID 51680710 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]