szczypta Z - Z-pinch

Skurcz Z w skali laboratoryjnej pokazujący poświatę z rozszerzonej plazmy wodorowej. Prąd zaciskania i jonizacji przepływa przez gaz i powraca przez pręty otaczające naczynie plazmowe.
Sprzężony indukcyjnie toroidalny zacisk Z o wielkości blatu biurka, napędzany prądem, w plazmie kryptonowej, ukazujący intensywny blask z żarnika plazmowego.

W badaniach nad energią termojądrową skurcz Z ( zeta pinch ) jest rodzajem systemu utrzymywania plazmy , który wykorzystuje prąd elektryczny w plazmie do generowania pola magnetycznego, które ją kompresuje (patrz pinch ). Systemy te były pierwotnie określane po prostu jako pinch lub Bennett pinch (od Willard Harrison Bennett ), ale wprowadzenie koncepcji -pinch (theta pinch) doprowadziło do potrzeby jaśniejszej, bardziej precyzyjnej terminologii.

Nazwa odnosi się do kierunku prądu w urządzeniach, osi Z na normalnym wykresie trójwymiarowym . Każda maszyna, która powoduje efekt zaciskania z powodu prądu płynącego w tym kierunku, jest prawidłowo określana jako system zaciskania Z i obejmuje szeroką gamę urządzeń używanych do równie szerokiej gamy celów. Wczesne zastosowania koncentrowały się na badaniach syntezy jądrowej w rurkach w kształcie pączka z osią Z biegnącą wewnątrz rurki, podczas gdy nowoczesne urządzenia są na ogół cylindryczne i służą do generowania źródeł promieniowania rentgenowskiego o wysokiej intensywności do badania broni jądrowej i innych ról. Jest to jedno z pierwszych podejść do urządzeń mocy termojądrowej , obok stellatora i lustra magnetycznego .

Fizyka

Zacisk Z jest zastosowaniem siły Lorentza , w której przewodnik przewodzący prąd w polu magnetycznym doświadcza siły. Jednym z przykładów siły Lorentza jest to, że jeśli dwa równoległe przewody przenoszą prąd w tym samym kierunku, przewody zostaną pociągnięte do siebie. W maszynie zaciskowej Z druty są zastąpione przez plazmę , co można traktować jako wiele drutów przewodzących prąd. Kiedy prąd przepływa przez plazmę, cząstki plazmy są przyciągane do siebie przez siłę Lorentza, w ten sposób plazma kurczy się. Skurczowi przeciwdziała rosnące ciśnienie gazu plazmy.

Ponieważ plazma przewodzi elektryczność, pobliskie pole magnetyczne indukuje w niej prąd. Zapewnia to sposób na doprowadzenie prądu do plazmy bez kontaktu fizycznego, co jest ważne, ponieważ plazma może szybko erodować elektrody mechaniczne . W praktycznych urządzeniach było to zwykle umieszczane przez umieszczenie naczynia plazmowego wewnątrz rdzenia transformatora , tak ustawionego, aby sama plazma była wtórną. Kiedy prąd został wysłany do pierwotnej strony transformatora, pole magnetyczne indukowało prąd w plazmie. Ponieważ indukcja wymaga zmiennego pola magnetycznego, a indukowany prąd ma płynąć w jednym kierunku w większości konstrukcji reaktorów, prąd w transformatorze musi być z czasem zwiększany, aby wytworzyć zmienne pole magnetyczne. Nakłada to limit na iloczyn czasu uwięzienia i pola magnetycznego dla dowolnego źródła mocy.

W maszynach typu Z-pinch prąd jest na ogół dostarczany z dużego banku kondensatorów i wyzwalany przez iskiernik , znany jako generator banku Marxa lub generatora Marksa . Ponieważ przewodność plazmy jest dość dobra, mniej więcej przewodność miedzi , energia zmagazynowana w źródle zasilania jest szybko wyczerpywana przez przepływanie przez plazmę. Urządzenia typu Z-pinch są z natury pulsacyjne.

Historia

Wczesne maszyny

Wczesna fotografia niestabilności załamania w toroidalnym uścisku – rura pyreksowa 3 na 25 w Aldermaston.

Urządzenia zaciskowe należały do ​​najwcześniejszych wysiłków w dziedzinie energii termojądrowej. Badania rozpoczęły się w Wielkiej Brytanii tuż po wojnie, ale brak zainteresowania doprowadził do niewielkiego rozwoju aż do lat pięćdziesiątych. Ogłoszenie projektu Huemul na początku 1951 r. doprowadziło do wysiłków na rzecz syntezy jądrowej na całym świecie, zwłaszcza w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych. W laboratoriach zbudowano małe eksperymenty, gdy rozwiązywano różne problemy praktyczne, ale wszystkie te maszyny wykazywały nieoczekiwane niestabilności plazmy, które powodowałyby uderzanie w ściany kontenera. Problem stał się znany jako „ niestabilność załamania ”.

Ustabilizowana szczypta

W 1953 „ustabilizowany szczypta” wydawał się rozwiązywać problemy napotykane na wcześniejszych urządzeniach. Stabilizowane maszyny dociskowe dodały zewnętrzne magnesy, które wytworzyły toroidalne pole magnetyczne wewnątrz komory. Kiedy urządzenie zostało odpalone, to pole zostało dodane do pola utworzonego przez prąd w plazmie. Rezultat był taki, że poprzednio proste pole magnetyczne zostało skręcone w spiralę, za którą podążały cząstki poruszające się po rurze napędzane prądem. Cząstka w pobliżu zewnętrznej części tuby, która chciała się załamać na zewnątrz, poruszałaby się wzdłuż tych linii, aż powróciłaby do wnętrza tuby, gdzie jej ruch skierowany na zewnątrz sprowadziłby ją z powrotem do środka plazmy.

Naukowcy w Wielkiej Brytanii rozpoczęli budowę ZETA w 1954 roku. ZETA była zdecydowanie największym urządzeniem termojądrowym swojej epoki. W tamtym czasie prawie wszystkie badania nad syntezą jądrową były sklasyfikowane, więc postępy nad ZETA były ogólnie nieznane poza laboratoriami pracującymi nad tym. Jednak amerykańscy naukowcy odwiedzili ZETA i zdali sobie sprawę, że wkrótce zostaną wyprzedzeni. Zespoły po obu stronach Atlantyku pospieszyły, aby jako pierwsze skompletować stabilizowane maszyny do ściskania.

ZETA wygrała wyścig i latem 1957 r. produkowała wybuchy neutronów podczas każdego przejazdu. Pomimo zastrzeżeń naukowców, ich wyniki zostały opublikowane z wielkimi fanfarami jako pierwszy udany krok na drodze do komercyjnej energii syntezy jądrowej. Jednak dalsze badania wkrótce wykazały, że pomiary były mylące, a żadna z maszyn nie była bliska poziomu syntezy. Zainteresowanie urządzeniami zaciskającymi osłabło, chociaż ZETA i jej kuzyn Scepter służyły przez wiele lat jako urządzenia eksperymentalne.

Napęd oparty na fuzji

Dalsze informacje: rakieta Fusion

Koncepcja systemu napędowego typu Z-pinch została opracowana we współpracy między NASA a firmami prywatnymi. Energia uwolniona przez efekt skurczu w kształcie litery Z przyspieszałaby litowe paliwo pędne do dużej prędkości, dając w wyniku impuls jednostkowy wynoszący 19400 s i ciąg 38 kN. Dysza magnetyczna byłaby potrzebna do przekształcenia uwolnionej energii w użyteczny impuls. Ta metoda napędu może potencjalnie skrócić czas podróży międzyplanetarnych. Na przykład misja na Marsa trwałaby około 35 dni w jedną stronę, z całkowitym czasem spalania wynoszącym 20 dni i masą spalonego paliwa 350 ton.

Tokamak

Chociaż przez lata pozostawała stosunkowo nieznana, radzieccy naukowcy wykorzystali koncepcję uszczypnięcia do opracowania tokamaka . W przeciwieństwie do stabilizowanych urządzeń zaciskowych w USA i Wielkiej Brytanii, tokamak zużywał znacznie więcej energii w magnesach stabilizujących, a znacznie mniej w prądzie plazmy. Zmniejszyło to niestabilności spowodowane dużymi prądami w plazmie i doprowadziło do znacznej poprawy stabilności. Wyniki były tak dramatyczne, że inni badacze byli sceptyczni, kiedy po raz pierwszy ogłoszono je w 1968 roku. Członkowie wciąż działającego zespołu ZETA zostali wezwani do weryfikacji wyników. Tokamak stał się najbardziej zbadanym podejściem do kontrolowanej fuzji.

Stabilizowany przepływ ścinany

Stabilizacja z przepływem ścinanym wykorzystuje jedną lub więcej pierścieniowych osłonek plazmowych o dużej prędkości, otaczających włókno plazmowe, w celu ustabilizowania włókna przed niestabilnością załamań i zaciskania.

W 2018 r. stabilizowany skurcz-Z stabilizowany przepływem ścinanym zademonstrował generację neutronów. Został zbudowany przez firmę fuzyjną Zap Energy, Inc., spin-out z University of Washington i sfinansowany przez inwestorów strategicznych i finansowych oraz granty Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych – Energia (ARPA-E). Plazma stabilizowana przepływem pozostawała stabilna 5000 razy dłużej niż plazma statyczna. Mieszanka 20% deuteru i 80% wodoru pod ciśnieniem wytwarzała emisje neutronów trwające około 5 μs z prądami zaciskania około 200 kA podczas około 16 μs okresu spoczynku plazmy. Średnia wydajność neutronów szacuje się (1,25 ± 0,45) x 10 5  neutronów / impuls. Zmierzono temperatury plazmy 1–2 keV (12–24 mln °C) i gęstości około 1017  cm- 3 z promieniami zacisku 0,3 cm.

Eksperymenty

Maszyna do zaciskania typu Z w UAM, Mexico City.

Maszyny zaciskowe typu Z można znaleźć na University of Nevada, Reno (USA), Cornell University (USA), University of Michigan (USA), Sandia National Laboratories (USA), University of California, San Diego (USA), University of Washington (USA), Ruhr University (Niemcy), Imperial College (Wielka Brytania), École Polytechnique (Francja), Weizmanna Institute of Science (Izrael), Universidad Autónoma Metropolitana (Meksyk), NSTRI (Iran).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki