Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Z-пинч лабораторного масштаба, показывающий свечение расширенной водородной плазмы. Ток защемления и ионизации протекает через газ и возвращается через стержни, окружающие плазменный сосуд.
Тороидальный Z-пинч размером с рабочий стол, управляемый индуктивно связанным током, в криптоновой плазме, демонстрирующий интенсивное свечение от плазменной нити.

В исследованиях термоядерной энергии Z-пинч ( дзета-пинч ) представляет собой тип системы удержания плазмы, который использует электрический ток в плазме для создания 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 нормальном трехмерном графике . Любая машина, которая вызывает защемляющий эффект из-за тока, протекающего в этом направлении, правильно называется Z-образной системой, 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 пончиков с осью Z, проходящей вниз 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 изучения ядерного оружия и других целей.

Физика [ править ]

Z-пинч - это приложение силы Лоренца , при котором проводник с током в магнитном поле испытывает силу. 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 Z-пинчевой машине провода заменены плазмой , которую 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.

Поскольку плазма электрически проводящая, близлежащее магнитное поле будет индуцировать в ней ток. Это позволяет 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 резервуара внутри сердечника трансформатора , расположенного таким образом, чтобы плазма сама была вторичной обмоткой. Когда ток подавался в первичную обмотку трансформатора, магнитное поле индуцировало ток в плазме. Поскольку индукция требует изменениямагнитное поле, и предполагается, что индуцированный ток течет в одном направлении в большинстве конструкций реакторов, ток в трансформаторе должен со временем увеличиваться для создания переменного магнитного поля. Это накладывает ограничение на произведение времени удержания и магнитного поля для любого данного источника энергии.

В машинах с Z-пинчем ток обычно вырабатывается большой батареей конденсаторов и запускается искровым разрядником , известным как генератор Маркса или Маркса . Поскольку проводимость плазмы довольно хорошая, примерно как у меди , энергия, запасенная в источнике питания, быстро истощается при прохождении через плазму. Устройства Z-пинча по своей природе являются импульсными.

История [ править ]

Ранние машины [ править ]

Ранняя фотография нестабильности излома в тороидальном зажиме - трубка из пирекса 3х25 в Олдермастоне.

Щипковые устройства были одними из первых попыток создания термоядерной энергии. Исследования начались в Великобритании сразу после послевоенной эпохи, но отсутствие интереса привело к незначительному развитию до 1950-х годов. Объявление о проекте Huemul 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 тому, что она ударилась о стенки контейнера. Проблема получила название « нестабильность излома ».

Стабилизированный зажим [ править ]

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. При срабатывании устройства это поле добавлялось к полю, создаваемому током в плазме. В результате бывшее прямое магнитное поле закручивалось в спираль, по которой частицы следовали, путешествуя по трубке под действием тока. Частица рядом с внешней стороной трубки, которая хотела изгибаться 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, которые над ним работали. 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 производила выбросы нейтронов при каждом запуске. Несмотря на оговорки исследователей, их результаты были обнародованы с большой помпой как первый успешный шаг на пути к коммерческой термоядерной энергии. Однако дальнейшие исследования вскоре показали, что измерения вводили в заблуждение, и ни одна из машин не была близка к термоядерным. Интерес к устройствам зажима угас, хотя ZETA и его двоюродный брат Scepter в течение многих лет служили экспериментальными устройствами.

Двигательная установка на основе термоядерного синтеза [ править ]

Дополнительная информация: Ракета Fusion

Концепция термоядерной силовой установки Z-pinch была разработана в сотрудничестве между НАСА и частными компаниями. [1] Энергия, выделяемая эффектом Z-пинча, ускоряет литиевое топливо до высокой скорости, в результате чего удельное значение импульса составляет 19400 с, а тяга - 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 займет около 35 дней в одну сторону с общим временем горения 20 дней и массой сгоревшего топлива 350 тонн. [2]

Токамак [ править ]

Хотя это оставалось относительно неизвестным в течение многих лет, советские ученые использовали концепцию пинча для разработки устройства токамака . В отличие от стабилизированных пинч-устройств в США и Великобритании, токамак потреблял 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 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.

Стабилизированный сдвиговой поток [ править ]

Стабилизация сдвигового потока использует одну или несколько высокоскоростных кольцевых плазменных оболочек, окружающих плазменную нить, для стабилизации нити от неустойчивостей изгиба и защемления. [3] [4]

В 2018 г. стабилизированный Z-пинч со сдвиговым потоком продемонстрировал генерацию нейтронов. Он был построен термоядерной компанией Zap Energy, Inc. [5], основанной Вашингтонским университетом . [6] Плазма, стабилизированная потоком, оставалась стабильной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма. [7] Смесь из 20% дейтерия и 80% водорода под давлением вызвала эмиссию нейтронов продолжительностью примерно 5 мкс с токами пинча примерно 200 кА в течение периода покоя плазмы примерно 16 мкс. Средний нейтронный выход был оценен как (1,25 ± 0,45) × 10 5  нейтронов / импульс. Были измерены температура плазмы 1-2 кэВ и плотность примерно 10 17  см -3 с радиусом пинча 0,3 см.[8]

Эксперименты [ править ]

Z-образный зажим в UAM, Мехико.

Машины Z-pinch можно найти в Университете Невады, Рино (США), Корнеллском университете (США), Мичиганском университете (США), Национальных лабораториях Сандии (США), Калифорнийском университете, 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 [ править ]

  • Z Pulse Power Facility
  • Пинч (физика плазмы)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Адамс, Р. "Концептуальный проект двигательной установки Z-Pinch Fusion" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 30 июня 2014 года . Проверено 20 мая 2014 .
  2. ^ Miernik, J .; Statham, G .; Fabisinski, L .; Клены, компакт-диск; Adams, R .; Polsgrove, T .; Fincher, S .; Cassibry, J .; Cortez, R .; Тернер, М .; Перси, Т. (2013). «Z-Pinch ядерная двигательная установка на основе термоядерного синтеза». Acta Astronautica . 82 (2): 173–82. Bibcode : 2013AcAau..82..173M . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2012.02.012 .(требуется подписка)
  3. ^ Forbes, Элеонора G .; Шумлак, Ури; Маклин, Гарри С .; Нельсон, Брайан А .; Claveau, Elliot L .; Golingo, Raymond P .; Хиггинсон, Дрю П .; Митрани, Джеймс М .; Степанов, Антон Д .; Tummel, Kurt K .; 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 . Informa UK Limited. DOI : 10.1080 / 15361055.2019.1622971 .
  4. ^ Shumlak, U. (27 мая 2020). «Z-пинч-сплав» . Журнал прикладной физики . Издательство AIP. DOI : 10.1063 / 5.0004228 .
  5. ^ "Zap Energy" . Зап Энергия .
  6. ^ «Разработка компактного термоядерного устройства» (PDF) .
  7. ^ Lavars, Ник (12 апреля 2019). «Прорыв в ядерном синтезе вдохнул жизнь в недооцененный подход Z-пинча» . Новый Атлас . Проверено 14 апреля 2019 .
  8. ^ Zhang, Y .; Шумлак, У .; Nelson, B.A .; Golingo, R.P .; Weber, T. R .; Степанов, А.Д .; Claveau, E. L .; Forbes, E.G .; Дрейпер, З. Т. (4 апреля 2019 г.). «Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Письма с физическим обзором . 122 (13). arXiv : 1806.05894 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.122.135001 . ISSN 0031-9007 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Z Machine (Sandia Labs)
  • Концепция электростанции с инерционным синтезом Z-Pinch (Sandia Labs)
  • Путь развития Z-pinch IFE
  • "Физика одиннадцати друзей Оушена"
  • Проект MAGPIE в Имперском колледже Лондона используется для изучения имплозий Z-пинча проволочной решетки.