Z-tutam - Z-pinch

Genişletilmiş bir hidrojen plazmasından parlamayı gösteren laboratuvar ölçeği Z-tutam. Sıkıştırma ve iyonizasyon akımı gazın içinden akar ve plazma kabını çevreleyen çubuklar vasıtasıyla geri döner.
Plazma filamentinden yoğun parıltı gösteren bir kripton plazmasında masa üstü boyutunda endüktif olarak birleştirilmiş akım tahrikli toroidal Z-tutam.

Olarak füzyon güç araştırma, Z-çimdiği ( zeta sıkıştırarak ) bir tür plazma kompres (bkz bir manyetik alan üretmek için plazmada bir elektrik akımı kullanan tutma sistemi tutam ). Bu sistemler başlangıçta basitçe pinch veya Bennett pinch ( Willard Harrison Bennett'ten sonra ) olarak adlandırılıyordu, ancak θ-tutam (teta pinch) konseptinin tanıtılması , daha net ve daha kesin terminoloji ihtiyacına yol açtı.

Adı, cihazlarda akımın yönünü, normal üç boyutlu bir grafik üzerinde Z eksenini ifade eder . Akımın o yönde çalışması nedeniyle sıkışma etkisine neden olan herhangi bir makine, doğru bir şekilde Z-tutam sistemi olarak adlandırılır ve bu, eşit derecede çok çeşitli amaçlar için kullanılan çok çeşitli cihazları kapsar. Modern cihazlar genellikle silindiriktir ve nükleer silahların ve diğer rollerin incelenmesi için yüksek yoğunluklu x-ışını kaynakları üretmek için kullanılırken, ilk kullanımlar, Z ekseni tüpün içinde aşağı doğru uzanan halka şeklindeki tüplerde füzyon araştırmalarına odaklanmıştır . Stelleratör ve manyetik ayna ile birlikte füzyon güç cihazlarına ilk yaklaşımlardan biridir .

Fizik

Z-tutamı, bir manyetik alanda akım taşıyan bir iletkenin bir kuvvete maruz kaldığı Lorentz kuvvetinin bir uygulamasıdır . Lorentz kuvvetinin bir örneği, iki paralel tel aynı yönde akım taşıyorsa, tellerin birbirine doğru çekilmesidir. Z-tutam makinesinde teller, akım taşıyan birçok tel olarak düşünülebilecek bir plazma ile değiştirilir . Plazmadan bir akım geçtiğinde, plazmadaki parçacıklar Lorentz kuvveti tarafından birbirine doğru çekilir ve böylece plazma büzülür. Kasılma, plazmanın artan gaz basıncıyla karşılanır.

Plazma elektriksel olarak iletken olduğundan, yakındaki bir manyetik alan içinde bir akım indükleyecektir. Bu, bir plazmanın mekanik elektrotları hızla aşındırabilmesi nedeniyle önemli olan, fiziksel temas olmadan plazmaya akım vermek için bir yol sağlar . Pratik cihazlarda bu normalde plazma kabının bir transformatörün çekirdeğinin içine yerleştirilmesiyle düzenlenirdi, böylece plazmanın kendisi ikincil olurdu. Transformatörün birincil tarafına akım gönderildiğinde, manyetik alan plazmaya bir akım indükledi. İndüksiyon, değişen bir manyetik alan gerektirdiğinden ve indüklenen akımın çoğu reaktör tasarımında tek bir yönde çalışması gerektiği için, değişen manyetik alanı üretmek için transformatördeki akımın zamanla arttırılması gerekir. Bu, herhangi bir verili güç kaynağı için hapsetme süresi ve manyetik alanın ürününe bir sınır koyar.

Z-tutam makinelerinde akım genellikle büyük bir kapasitör bankasından sağlanır ve Marx Bank veya Marx jeneratörü olarak bilinen bir kıvılcım aralığı tarafından tetiklenir . Plazmanın iletkenliği bu konuda oldukça iyi olduğu için bakır , güç kaynağı depolanmış enerji plazmada süratle çalışan tarafından tüketilir. Z-tutam cihazları doğaları gereği darbelidir.

Tarih

Erken makineler

Bir toroidal tutamdaki bükülme kararsızlığının erken bir fotoğrafı - Aldermaston'daki 3'e 25 ateş borusu tüpü.

Pinch cihazları, füzyon gücündeki ilk çabalar arasındaydı. Araştırma, savaş sonrası dönemde Birleşik Krallık'ta başladı, ancak ilgi eksikliği, 1950'lere kadar çok az gelişmeye yol açtı. Huemul Projesinin 1951 başlarında duyurulması , dünya çapında, özellikle Birleşik Krallık ve ABD'de füzyon çabalarına yol açtı. Çeşitli pratik konulara değinildiği için laboratuvarlarda küçük deneyler yapıldı, ancak bu makinelerin tümü, plazmanın konteyner gemisinin duvarlarına çarpmasına neden olacak beklenmedik kararsızlıklar gösterdi. Sorun " bükülme kararsızlığı " olarak tanındı .

Stabilize tutam

1953'e gelindiğinde, "stabilize edilmiş tutam", önceki cihazlarda karşılaşılan sorunları çözüyor gibiydi. Stabilize edilmiş sıkıştırma makineleri, odanın içinde toroidal bir manyetik alan oluşturan harici mıknatıslar ekledi. Cihaz ateşlendiğinde bu alan plazmadaki akımın oluşturduğu alana eklenir. Sonuç olarak, eskiden düz olan manyetik alan, akım tarafından yönlendirilen tüpün etrafında dolaşırken parçacıkların takip ettiği bir sarmal halinde büküldü. Tüpün dışına yakın olan ve dışa doğru bükülmek isteyen bir parçacık, tüpün içine geri dönene kadar bu çizgiler boyunca hareket edecek ve dışa doğru hareketi onu plazmanın merkezine geri getirecektir.

İngiltere'de araştırmacılar inşaatına başladı ZETA ZETA Döneminin kadar büyük füzyon cihazı tarafından yapıldı 1954 yılında. O zamanlar, neredeyse tüm füzyon araştırmaları sınıflandırılmıştı, bu nedenle ZETA'daki ilerleme, üzerinde çalışan laboratuvarlar dışında genellikle bilinmiyordu. Ancak ABD'li araştırmacılar ZETA'yı ziyaret ettiler ve geride kalmak üzere olduklarını anladılar. Atlantik'in her iki yakasındaki ekipler, stabilize kıstırma makinelerini tamamlayan ilk ekip olmak için acele ettiler.

ZETA yarışı kazandı ve 1957 yazında her koşuda nötron patlamaları üretiyordu . Araştırmacıların çekincelerine rağmen, sonuçları ticari füzyon enerjisine giden yolda ilk başarılı adım olarak büyük bir hayranlıkla yayınlandı. Bununla birlikte, daha fazla çalışma, kısa sürede ölçümlerin yanıltıcı olduğunu ve makinelerin hiçbirinin füzyon seviyelerine yakın olmadığını gösterdi. ZETA ve kuzeni Scepter uzun yıllar deneysel cihazlar olarak hizmet etmesine rağmen, sıkıştırma cihazlarına olan ilgi azaldı .

Füzyon tabanlı tahrik

Daha fazla bilgi: Füzyon roketi

NASA ve özel şirketler arasındaki işbirliği yoluyla bir Z-tutam füzyon tahrik sistemi konsepti geliştirildi . Z-tutam etkisi tarafından salınan enerji, lityum itici gazını yüksek bir hıza çıkaracak ve bu da 19400 s'lik belirli bir itme değeri ve 38 kN itme gücü ile sonuçlanacaktır. Serbest bırakılan enerjiyi faydalı bir darbeye dönüştürmek için manyetik bir meme gerekli olacaktır. Bu tahrik yöntemi, gezegenler arası seyahat sürelerini potansiyel olarak azaltabilir. Örneğin, Mars'a bir görev, toplam 20 günlük yanma süresi ve 350 tonluk yanmış bir itici kütle ile tek yönlü yaklaşık 35 gün sürecektir.

Tokamak

Yıllarca nispeten bilinmemesine rağmen, Sovyet bilim adamları tokamak cihazını geliştirmek için tutam konseptini kullandılar . ABD ve İngiltere'deki stabilize kıstırma cihazlarının aksine, tokamak, stabilize edici mıknatıslarda önemli ölçüde daha fazla ve plazma akımında çok daha az enerji kullandı. Bu, plazmadaki büyük akımlardan kaynaklanan kararsızlıkları azalttı ve kararlılıkta büyük gelişmelere yol açtı. Sonuçlar o kadar çarpıcıydı ki, 1968'de ilk kez duyurulduğunda diğer araştırmacılar şüpheci davrandılar. Sonuçları doğrulamak için halen faaliyette olan ZETA ekibinin üyeleri çağrıldı. Tokamak, kontrollü füzyon için en çok çalışılan yaklaşım oldu.

Makaslanmış akış stabilize

Kesilmiş akış stabilizasyonu, filamanı bükülme ve kıstırma kararsızlıklarına karşı stabilize etmek için bir plazma filamanı çevreleyen bir veya daha fazla yüksek hızlı halka şeklinde akan plazma kılıfı kullanır.

2018'de, kesilmiş akışla stabilize edilmiş bir Z-tutamı, nötron oluşumunu gösterdi. Washington Üniversitesi'nden bir yan ürün olan Zap Energy, Inc. adlı bir füzyon şirketi tarafından inşa edildi ve stratejik ve finansal yatırımcılar tarafından finanse edildi ve Gelişmiş Araştırma Projeleri Ajansı - Enerji'den (ARPA-E) sağlanan hibelerle finanse edildi. Akış stabilize plazma, statik plazmadan 5.000 kat daha uzun süre stabil kaldı. Basınçla %20 döteryum ve %80 hidrojen karışımı, yaklaşık 16 μs'lik bir plazma durgunluğu döneminde yaklaşık 200 kA'lık tutam akımlarla yaklaşık 5 μs süren nötron emisyonları üretti. Ortalama nötron verimi (1.25 ± 0.45) x 10 olduğu tahmin edilmiştir 5  nötron / darbe. 1–2 keV (12–24 milyon °C) plazma sıcaklıkları ve 0,3 cm tutam yarıçaplı yaklaşık 10 17  cm −3 yoğunluklar ölçülmüştür.

deneyler

UAM, Mexico City'de bir Z-tutam makinesi.

Z-tutam makineleri Nevada Üniversitesi, Reno (ABD), Cornell Üniversitesi (ABD), Michigan Üniversitesi (ABD), Sandia Ulusal Laboratuvarları (ABD), California Üniversitesi, San Diego (ABD), Washington Üniversitesi'nde bulunabilir. (ABD), Ruhr Üniversitesi (Almanya), Imperial College (Birleşik Krallık), École Polytechnique (Fransa), Weizmann Bilim Enstitüsü (İsrail), Universidad Autónoma Metropolitana (Meksika), NSTRI (İran).

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar