Z -klype - Z-pinch
I forskning på fusjonskraft er Z-klypen ( zeta pinch ) en type plasmakapasitetssystem som bruker en elektrisk strøm i plasmaet for å generere et magnetfelt som komprimerer det (se klype ). Disse systemene ble opprinnelig bare referert til som klype eller Bennett klype (etter Willard Harrison Bennett ), men introduksjonen av θ-klype (theta klype) konsept førte til behovet for klarere, mer presis terminologi.
Navnet refererer til strømretningen i enhetene, Z-aksen på en normal tredimensjonal graf . Enhver maskin som forårsaker en klemmeeffekt på grunn av strøm som går i den retningen, kalles på riktig måte et Z-klemmesystem, og dette omfatter en lang rekke enheter som brukes til like mange forskjellige formål. Tidlig bruk fokuserte på fusjonsforskning i smultringformede rør med Z-aksen som løper nedover innsiden av røret, mens moderne enheter generelt er sylindriske og brukes til å generere røntgenkilder med høy intensitet for studier av atomvåpen og andre roller. Det er en av de første tilnærmingene til fusjonskraftenheter , sammen med stelleratoren og det magnetiske speilet .
Fysikk
Z-klemmen er en anvendelse av Lorentz-kraften , der en strømførende leder i et magnetfelt opplever en kraft. Et eksempel på Lorentz -kraften er at hvis to parallelle ledninger bærer strøm i samme retning, vil ledningene trekkes mot hverandre. I en Z-klypemaskin erstattes ledningene med et plasma , som kan tenkes på som mange strømførende ledninger. Når en strøm går gjennom plasmaet, trekkes partiklene i plasmaet mot hverandre av Lorentz -kraften, og dermed trekker plasmaet seg sammen. Sammentrekningen motvirkes av det økende gasstrykket i plasmaet.
Siden plasmaet er elektrisk ledende, vil et magnetfelt i nærheten indusere en strøm i det. Dette gir en måte å føre en strøm inn i plasmaet uten fysisk kontakt, noe som er viktig ettersom et plasma raskt kan erodere mekaniske elektroder . I praktiske anordninger ble dette normalt arrangert ved å plassere plasmaskålen inne i kjernen i en transformator , slik at selve plasmaet ville være det sekundære. Når strøm ble sendt inn på primærsiden av transformatoren, induserte magnetfeltet en strøm inn i plasmaet. Siden induksjon krever et magnetfelt i endring , og den induserte strømmen skal gå i en enkelt retning i de fleste reaktordesign, må strømmen i transformatoren økes over tid for å produsere det varierende magnetfeltet. Dette setter en grense for produktet av innesperringstid og magnetfelt for en gitt kraftkilde.
I Z-pinch-maskiner leveres strømmen vanligvis fra en stor kondensatorbank og utløst av et gnistgap , kjent som en Marx Bank eller Marx generator . Siden ledningsevnen til plasma er ganske god, omtrent som for kobber , blir energien som er lagret i kraftkilden raskt tømt ved å løpe gjennom plasmaet. Z-klypeenheter er iboende pulserende i naturen.
Historie
Tidlige maskiner
Klypeenheter var blant de tidligste innsatsene innen fusjonskraft. Forskning begynte i Storbritannia i den umiddelbare etterkrigstiden, men mangel på interesse førte til liten utvikling fram til 1950-tallet. Kunngjøringen av Huemul -prosjektet tidlig i 1951 førte til fusjonsinnsats rundt om i verden, særlig i Storbritannia og i USA. Små eksperimenter ble bygget på laboratorier etter hvert som ulike praktiske spørsmål ble behandlet, men alle disse maskinene viste uventede ustabilitet i plasmaet som ville få det til å treffe veggene i containerfartøyet. Problemet ble kjent som " kink ustabilitet ".
Stabilisert klype
I 1953 syntes den "stabiliserte klypen" å løse problemene på tidligere enheter. Stabiliserte klemmemaskiner la til eksterne magneter som skapte et toroidalt magnetfelt inne i kammeret. Når enheten ble avfyrt, ble dette feltet lagt til det som ble opprettet av strømmen i plasmaet. Resultatet var at det tidligere rette magnetfeltet ble vridd til en spiral, som partiklene fulgte mens de reiste rundt røret drevet av strømmen. En partikkel nær utsiden av røret som ønsket å knekke utover, ville bevege seg langs disse linjene til den kom tilbake til innsiden av røret, hvor dens utadrettede bevegelse ville bringe den tilbake til midten av plasmaet.
Forskere i Storbritannia startet byggingen av ZETA i 1954. ZETA var den desidert største fusjonsenheten i sin tid. På den tiden ble nesten all fusjonsforskning klassifisert, så fremgang på ZETA var generelt ukjent utenfor laboratoriene som jobbet med den. Imidlertid besøkte amerikanske forskere ZETA og innså at de var i ferd med å gå foran. Lag på begge sider av Atlanterhavet skyndte seg for å være de første som fullførte stabiliserte klemmemaskiner.
ZETA vant løpet, og sommeren 1957 produserte det utbrudd av nøytroner på hvert løp. Til tross for forskernes forbehold, ble resultatene gitt ut med stor fanfare som det første vellykkede trinnet på veien til kommersiell fusjonsenergi. Imidlertid viste ytterligere studier snart at målingene var misvisende, og ingen av maskinene var nær fusjonsnivåer. Interessen for klemmeapparater bleknet, selv om ZETA og fetteren Scepter tjente i mange år som eksperimentelle enheter.
Fusjonsbasert fremdrift
Et konsept om Z-pinch fusion fremdriftssystem ble utviklet gjennom samarbeid mellom NASA og private selskaper. Energien som frigjøres ved Z-klemmeeffekten, vil akselerere litiumdrivstoffet til høy hastighet, noe som resulterer i en spesifikk impulsverdi på 19400 s og et trykk på 38 kN. En magnetisk dyse vil være nødvendig for å konvertere frigjort energi til en nyttig impuls. Denne fremdriftsmetoden kan potensielt redusere interplanetariske reisetider. For eksempel vil et oppdrag til Mars ta omtrent 35 dager enveis med en total brenntid på 20 dager og en brent drivmasse på 350 tonn.
Tokamak
Selv om det forble relativt ukjent i årevis, brukte sovjetiske forskere klemmekonseptet for å utvikle tokamak -enheten. I motsetning til de stabiliserte klemmeapparatene i USA og Storbritannia brukte tokamak betydelig mer energi i de stabiliserende magneter, og mye mindre i plasmastrømmen. Dette reduserte ustabiliteten på grunn av de store strømningene i plasmaet, og førte til store forbedringer i stabiliteten. Resultatene var så dramatiske at andre forskere var skeptiske da de først ble kunngjort i 1968. Medlemmer av det fortsatt operative ZETA-teamet ble kalt inn for å verifisere resultatene. Tokamak ble den mest studerte tilnærmingen til kontrollert fusjon.
Skjæret strømning stabilisert
Sheared-flow-stabilisering bruker en eller flere høyhastighets ringformede plasmaskjeder som omgir et plasmafilament, for å stabilisere filamentet mot knekk og klype ustabilitet.
I 2018 demonstrerte en skjæret strømningsstabilisert Z-klype nøytrongenerering. Det ble bygget av et fusjonsselskap, Zap Energy, Inc., en spin-out fra University of Washington , og finansiert av strategiske og finansielle investorer og tilskudd fra Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA – E). Flytstabilisert plasma forble stabilt 5000 ganger lengre enn et statisk plasma. En blanding av 20% deuterium og 80% hydrogen ved trykk produserte nøytronutslipp som varte omtrent 5 μs med klypestrømmer på omtrent 200 kA i løpet av en periode på omtrent 16 μs med plasmaavbrudd. Gjennomsnittlig utbytte av nøytroner ble estimert til å være (1,25 ± 0,45) x 10 5 nøytroner / puls. Plasma temperaturer på 1–2 keV (12–24 millioner ° C) og tettheter på omtrent 10 17 cm −3 med 0,3 cm klype radier ble målt.
Eksperimenter
Z-pinch-maskiner finnes ved 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 (Tyskland), Imperial College (Storbritannia), École Polytechnique (Frankrike), Weizmann Institute of Science (Israel), Universidad Autónoma Metropolitana (Mexico), NSTRI (Iran).
Se også
Referanser
Eksterne linker
- Z -maskin (Sandia Labs)
- Et treghetsfusjon Z-Pinch kraftverkskonsept (Sandia Labs)
- Utviklingsbane for Z-pinch IFE
- "Fysikk i 'Ocean's Eleven'"
- MAGPIE-prosjektet ved Imperial College London brukes til å studere wire-array Z-pinch implosjoner.