У дослідженнях термоядерного синтезу Z-пінч (зета-пінч) — це тип системи утримання плазми, яка використовує електричний струм у плазмі для створення магнітного поля, що стискає її (див. пінч). Спочатку ці системи називалися просто пінчем або пінчем Беннета (на честь Вілларда Гаррісона Беннета), але введення концепції θ-пінча (тета-пінчу) призвело до потреби в чіткішій та точнішій термінології.
Назва стосується напрямку струму в пристроях, осі Z на декартовому тривимірному графіку. Будь-яка установка, у якій ефект пінчу виникає внаслідок проходження струму в цьому напрямку, коректно називається системою Z-пінчу. Цей термін охоплює широкий спектр пристроїв, що застосовуються для різноманітних дослідницьких і практичних цілей. Ранні застосування Z-пінчу були переважно пов’язані з дослідженнями термоядерного синтезу в тороїдальних (бубликоподібних) камерах, де вісь Z проходить уздовж внутрішньої осі трубчастої структури. Натомість сучасні установки зазвичай мають циліндричну геометрію та використовуються для створення високоінтенсивних джерел рентгенівського випромінювання, зокрема для досліджень, пов’язаних із ядерною зброєю, а також інших наукових застосувань. Це один з перших підходів до пристроїв термоядерної енергії, поряд зі стеларатором та магнітним дзеркалом.
Фізика Z-пінч – це застосування сили Лоренца, при якому провідник зі струмом у магнітному полі відчуває на себе дію сили. Одним із прикладів сили Лоренца є те, що якщо два паралельні дроти несуть струм в одному напрямку, дроти будуть притягуватися один до одного. У Z-пінч-машині дроти замінюються плазмою, яку можна уявити як безліч дротів зі струмом. Коли струм пропускається через плазму, частинки в плазмі притягуються одна до одної силою Лоренца, таким чином плазма стискається. Стисканню протидіє зростання тиску газу плазми.
Оскільки плазма є електропровідною, магнітне поле поблизу індукуватиме в ній струм. Це забезпечує спосіб пропускання струму в плазму без фізичного контакту, що важливо, оскільки плазма може швидко роз'їдати механічні електроди. У практичних пристроях це зазвичай робилося шляхом розміщення плазмової посудини всередині осердя трансформатора, розташованого таким чином, що сама плазма була б вторинною обмоткою. Коли струм подавався до первинної обмотки трансформатора, змінне магнітне поле індукувало струм у плазмі. Оскільки процес індукції потребує зміни магнітного поля, а індукований струм у більшості конструкцій реакторів має протікати в одному напрямку, струм у трансформаторі повинен поступово зростати з часом для створення необхідного змінного магнітного поля. Це накладає обмеження на добуток часу утримання плазми та величини магнітного поля для будь-якого заданого джерела енергії.
У Z-пінчових машинах струм зазвичай подається з великої батареї конденсаторів та запускається іскровим проміжком, відомим як банка Маркса або генератор Маркса. Оскільки провідність плазми досить добра, приблизно така ж, як у міді, енергія, що зберігається в джерелі живлення, швидко виснажується під час проходження через плазму. Z-пінчові пристрої за своєю природою є імпульсними.
Історія
Ранні машини
Пристрої з пінчем були одними з найперших спроб у галузі термоядерного синтезу. Дослідження розпочалися у Великій Британії одразу після війни, але відсутність інтересу призвела до незначного розвитку аж до 1950-х років. Оголошення про проект Хуемуль на початку 1951 року призвело до зусиль у галузі термоядерного синтезу по всьому світу, зокрема у Великій Британії та США (див. Перхапсатрон, z-пінч-машина в LANL). Невеликі експерименти проводилися в лабораторіях для вирішення різних практичних питань, але всі ці машини демонстрували неочікувані нестабільності плазми, які призводили до її удару об стінки контейнера. Ця проблема стала відома як «кінкова нестабільність».
Стабілізований пінч До 1953 року концепція «стабілізованого пінчу» здавалася вирішенням проблем, що виникали в попередніх пристроях. У стабілізованих пінч-установках використовувалися додаткові зовнішні магніти, які створювали тороїдальне магнітне поле всередині камери. Під час роботи пристрою це поле накладалося на магнітне поле, створене струмом у плазмі. У результаті початкове прямолінійне магнітне поле набувало спіральної структури, уздовж якої рухалися заряджені частинки всередині струмопровідного плазмового каналу. Частинка, розташована поблизу зовнішньої частини плазмового стовпа та схильна до відхилення назовні, рухалася вздовж спіральних силових ліній, доки не поверталася до внутрішньої області плазми. Там її подальший рух назовні спрямовувався назад до центральної частини плазмового каналу, забезпечуючи додаткову стабілізацію конфігурації.
Дослідники у Великій Британії розпочали будівництво ZETA у 1954 році. ZETA була найбільшим термоядерним пристроєм своєї епохи. На той час майже всі дослідження в галузі термоядерного синтезу були засекречені, тому прогрес у ZETA був загалом невідомий за межами лабораторій, які над ним працювали. Однак американські дослідники відвідали ZETA та зрозуміли, що їх ось-ось випередять. Команди по обидва боки Атлантики поспішили першими завершити створення стабілізованих щипкових машин.
ZETA виграла гонку, і до літа 1957 року вона виробляла спалахи нейтронів під час кожного запуску. Незважаючи на застереження самих дослідників, отримані результати були широко оприлюднені як значний прорив і перший успішний крок на шляху до створення комерційної термоядерної енергетики. Проте подальші дослідження невдовзі показали, що проведені вимірювання були хибними, а жодна з установок фактично не наблизилася до умов, необхідних для термоядерного синтезу. Унаслідок цього інтерес до пінч-пристроїв поступово зменшився, хоча ZETA та її споріднена установка Sceptre ще протягом багатьох років використовувалися як експериментальні платформи.
Рушійна сила на основі термоядерного синтезу Концепцію термоядерної рушійної системи Z-пінч було розроблено завдяки співпраці між NASA та приватними компаніями. Енергія, що вивільняється внаслідок ефекту Z-пінчу, розганяє літієве паливо до високої швидкості, що призводить до питомого імпульсу 19400 с та тяги 38. кН. Для перетворення вивільненої енергії в корисний імпульс знадобиться магнітне сопло. Такий метод руху потенційно може скоротити час міжпланетних перельотів. Наприклад, місія на Марс триватиме близько 35 днів в один бік із загальним часом горіння 20 днів та масою спаленого палива 350 тонн.
Токамак Хоча протягом багатьох років ця концепція залишалася відносно невідомою, радянські вчені використали концепцію пінчу для розробки токамака. На відміну від стабілізованих пінч-пристроїв у США та Великій Британії, у токамаках значно більша частина енергії витрачалася на створення стабілізуючих магнітних полів, тоді як роль струму в плазмі була суттєво меншою. Це зменшило нестабільності, пов’язані з великими плазмовими струмами, і призвело до значного підвищення стабільності системи. Отримані результати були настільки вражаючими, що після їхнього першого представлення у 1968 році інші дослідники поставилися до них із недовірою. Для незалежної перевірки результатів були запрошені члени команди ZETA, яка на той час ще продовжувала свою роботу. Згодом токамак став найбільш дослідженою та найширше використовуваною концепцією у сфері керованого термоядерного синтезу.
Стабілізація зсувним потоком Стабілізація зсувного потоку використовує один або декілька високошвидкісних кільцевих потокових плазмових шарів, що оточують плазмовий філамент, для стабілізації філаменту від нестабільностей, пов'язаних з перегинами та пінчем.
У 2018 році Z-пінч зі стабілізацією зсувного потоку продемонстрував генерацію нейтронів. Він був побудований термоядерною компанією Zap Energy, Inc., що є дочірнім підприємством Вашингтонського університету, та фінансований стратегічними та фінансовими інвесторами, а також грантами від Агентства передових дослідницьких проектів – Енергетика (ARPA-E). Плазма зі стабілізацією потоку залишалася стабільною у 5000 разів довше, ніж статична плазма.
Суміш 20% дейтерію та 80% водню під тиском спричиняла нейтронні викиди тривалістю приблизно 5 мкс зі струмами пінчу приблизно 200 кА протягом періоду спокою плазми приблизно 16 мкс. Середній вихід нейтронів оцінювався в (1,25±0,45)× 10⁶ нейтронів/імпульс. Були виміряні температура плазми 1–2 кеВ (12–24 мільйони °C) та густина приблизно 1017 см−3 з 0,3 см у радіусі пінчу.
Компанії , щонайменше дві компанії працюють над розробкою магнітоінерційних Z-пінчових термоядерних реакторів, обидві з яких використовують дейтерій-тритієве паливо. У Сполучених Штатах до них належать: Magneto Inertial Fusion Technology Inc. (MIFTI), заснована у 2008 році як дочірній проєкт університету Каліфорнії, Ірвайн, а нині підрозділ ядерної корпорації США, а також Zap Energy, заснована у 2017 році як спін-оф університету Вашингтона.
Експерименти
Машини Z -pinch можна знайти в Університеті Невади, Ріно (США), Корнельському університеті (США), Університеті Мічигану (США), Національних лабораторіях Сандіа (США), Університеті Каліфорнії, Сан-Дієго (США), Університеті Вашингтона (США), Рурському університеті (Німеччина), Імперському коледжі (Великобританія), Політехнічній школі (Франція), Інституті науки Вейцмана (Ізраїль), Universidad Autónoma Metropolitana (Мексика), GLAST (Пакистан).
Див. також
Z-машина Пінч-ефект
Посилання
Зовнішні посилання
Z машина (Sandia Labs) Концепція інерційно-термоядерної Z-подібної електростанції (Sandia Labs) Шлях розробки для Z-pinch IFE. Фізика «Одинадцяти друзів Оушена» Проект MAGPIE в Імперському коледжі Лондона. використовується для вивчення імплозій Z-пінчу дротяних масивів.