Z-защемление - Z-pinch

Z-пинч лабораторного масштаба, показывающий свечение расширенной водородной плазмы. Ток сжатия и ионизации течет через газ и возвращается через стержни, окружающие плазменный сосуд.

В термоядерная энергия исследования, Z-защемление, также известен как зета-щепотка, это тип плазма система удержания, которая использует электрический ток в плазме для создания магнитного поля, сжимающего ее (см. ущипнуть ). Эти системы изначально назывались просто ущипнуть или Беннетт пинч (после Уиллард Харрисон Беннетт ), но введение θ-пинч концепция привела к необходимости повышенной ясности.

Название относится к направлению тока в устройствах, ось Z по нормали. трехмерный график. 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 высокой интенсивности Рентгеновский источники для изучения ядерное оружие и другие роли.

Физика

Z-пинч - это приложение Сила 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 Z-пинч-машине провода заменены на плазма, 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.

Поскольку плазма электропроводна, близлежащее магнитное поле будет индуцировать в ней ток. Это дает возможность пропустить ток в плазму без физического контакта, что важно, поскольку плазма может быстро разрушать механическую электроды. В практических устройствах это обычно осуществлялось путем размещения плазменного сосуда внутри активной зоны. трансформатор, расположенная так, чтобы сама плазма была вторичной. Когда ток подавался в первичную обмотку трансформатора, магнитное поле индуцировало ток в плазме. Поскольку индукция требует изменение магнитное 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 поступает из большого банка конденсаторы и запускается разрядник, известный как банк Маркса или Генератор Маркса. Так как проводимость плазмы довольно хорошая, примерно медь энергия, запасенная в источнике питания, быстро истощается из-за прохождения через плазму. Устройства Z-пинча по своей природе являются импульсными.

История

Ранние машины

Ранняя фотография нестабильности излома в тороидальном зажиме - трубка из пирекса 3 на 25 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 Huemul Project в начале 1951 г. привел 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 "перегиб нестабильность ".

Стабилизированный зажим

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 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 г. нейтроны на каждом пробеге. Несмотря на оговорки исследователей, их результаты были обнародованы 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 пережима угас, хотя ZETA и ее двоюродный брат Скипетр долгие годы служили экспериментальными приборами.

Двигательная установка на основе термоядерного синтеза

Дальнейшая информация: Термоядерная ракета

Концепция силовой установки Z-pinch Fusion была разработана в сотрудничестве между НАСА и частные компании.[1] Энергия, выделяемая эффектом Z-пинча, ускоряет литиевое топливо до высокой скорости, в результате чего удельный импульс значение 19400 с и толчок 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

Хотя это оставалось относительно неизвестным в течение многих лет, советские ученые использовали концепцию пинча для разработки токамак устройство. 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

В 2018 г. генерация нейтронов из стабилизированного Z-пинча со сдвиговым потоком была продемонстрирована Zap Energy Inc дочерняя компания термоядерного синтеза Вашингтонского университета. [3]. Текущая плазма оставалась стабилизированной в 5000 раз дольше, чем статическая плазма.[4] Смесь 20% дейтерия / 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) × 105 нейтронов / импульс. Температура плазмы 1–2 кэВ и плотность примерно 1017 см−3 с радиусом пинча 0,3 см.[5]

Эксперименты

Z-образный зажим в UAM, Мехико.

Машины Z-пинча можно найти на Университет Невады, Рино (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Корнелл Университет (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), университет Мичигана (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Сандийские национальные лаборатории (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Калифорнийский университет в Сан-Диего (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Вашингтонский университет (СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ), Рурский университет (Германия), Имперский колледж (Объединенное Королевство), École Polytechnique (Франция), Институт науки Вейцмана (Израиль), Universidad Autónoma Metropolitana (Мексика), NSTRI (Иран).

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Адамс, Р. «Концептуальный проект двигательной установки Z-Pinch Fusion» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-06-30. Получено 2014-05-20.
  2. ^ Miernik, J .; Statham, G .; Fabisinski, L .; Maples, C.D .; Adams, R .; Polsgrove, T .; Fincher, S .; Cassibry, J .; Cortez, R .; Тернер, М .; Перси, Т. (2013). "Z-Pinch термоядерная двигательная установка". Acta Astronautica. 82 (2): 173–82. Bibcode:2013AcAau..82..173M. Дои:10.1016 / j.actaastro.2012.02.012.(требуется подписка)
  3. ^ «Разработка компактного термоядерного устройства» (PDF).
  4. ^ Лаварс, Ник (12 апреля 2019 г.). «Прорыв в ядерном синтезе вдохнул жизнь в недооцененный подход Z-пинча». newatlas.com. Получено 2019-04-14.
  5. ^ 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 с помощью сдвигового потока». Письма с физическими проверками. 122 (13). arXiv:1806.05894. Дои:10.1103 / PhysRevLett.122.135001. ISSN  0031-9007.

внешние ссылки