Pellizcar en Z

Z-pinch a escala de laboratorio que muestra el brillo de un plasma de hidrógeno expandido. La corriente de pinzamiento e ionización fluye a través del gas y regresa a través de las barras que rodean el recipiente de plasma.

Pinza en Z toroidal impulsada por corriente acoplada inductivamente del tamaño de un escritorio en un plasma de criptón que muestra un brillo intenso del filamento de plasma.

En la investigación de la energía de fusión , el Z-pinch ( zeta pinch ) es un tipo de sistema de confinamiento de plasma que utiliza una corriente eléctrica en el plasma para generar un campo magnético que lo comprime (ver pinch ). Estos sistemas se denominaron originalmente simplemente pellizcar o pellizcar Bennett (en honor a Willard Harrison Bennett ), pero la introducción del concepto θ-pinch (theta pinch) llevó a la necesidad de una terminología más clara y precisa.

El nombre se refiere a la dirección de la corriente en los dispositivos, el eje Z en un gráfico tridimensional normal . Cualquier máquina que cause un efecto de pellizco debido a la corriente que corre en esa dirección se denomina correctamente sistema de pellizco en Z, y esto abarca una amplia variedad de dispositivos utilizados para una variedad igualmente amplia de propósitos. Los primeros usos se centraron en la investigación de la fusión en tubos en forma de rosquilla con el eje Z corriendo por el interior del tubo, mientras que los dispositivos modernos son generalmente cilíndricos y se utilizan para generar fuentes de rayos X de alta intensidad para el estudio de armas nucleares y otras funciones.

Física

El Z-pinch es una aplicación de la fuerza de Lorentz , en la que un conductor portador de corriente en un campo magnético experimenta una fuerza. Un ejemplo de la fuerza de Lorentz es que, si dos cables paralelos llevan corriente en la misma dirección, los cables se acercarán entre sí. En una máquina de pinza en Z, los cables se reemplazan por un plasma , que se puede considerar como muchos cables conductores de corriente. Cuando una corriente pasa a través del plasma, las partículas en el plasma son atraídas entre sí por la fuerza de Lorentz, por lo que el plasma se contrae. La contracción se contrarresta mediante el aumento de la presión del gas del plasma.

Como el plasma es conductor de electricidad, un campo magnético cercano inducirá una corriente en él. Esto proporciona una forma de hacer pasar una corriente al plasma sin contacto físico, lo cual es importante ya que un plasma puede erosionar rápidamente los electrodos mecánicos . En dispositivos prácticos, esto se arreglaba normalmente colocando el recipiente de plasma dentro del núcleo de un transformador , dispuesto de manera que el plasma mismo fuera el secundario. Cuando se envió corriente al lado primario del transformador, el campo magnético indujo una corriente en el plasma. Como la inducción requiere un cambiocampo magnético, y se supone que la corriente inducida corre en una sola dirección en la mayoría de los diseños de reactores, la corriente en el transformador debe incrementarse con el tiempo para producir el campo magnético variable. Esto pone un límite al producto del tiempo de confinamiento y el campo magnético, para cualquier fuente de energía dada.

En las máquinas Z-pinch, la corriente generalmente proviene de un gran banco de condensadores y se activa mediante una descarga de chispas , conocida como banco de Marx o generador de Marx . Como la conductividad del plasma es bastante buena, aproximadamente la del cobre , la energía almacenada en la fuente de energía se agota rápidamente al correr a través del plasma. Los dispositivos Z-pinch son inherentemente pulsados ​​por naturaleza.

Historia

Primeras máquinas

Una fotografía temprana de la inestabilidad torcida en un pellizco toroidal: el tubo de pyrex de 3 por 25 en Aldermaston.

Los dispositivos de pellizco se encontraban entre los primeros esfuerzos en energía de fusión. La investigación comenzó en el Reino Unido en la era inmediata de la posguerra, pero la falta de interés condujo a poco desarrollo hasta la década de 1950. El anuncio del Proyecto Huemul a principios de 1951 condujo a esfuerzos de fusión en todo el mundo, especialmente en el Reino Unido y Estados Unidos. Se construyeron pequeños experimentos en los laboratorios a medida que se abordaron varios problemas prácticos, pero todas estas máquinas demostraron inestabilidades inesperadas del plasma que harían que golpeara las paredes del recipiente contenedor. El problema se conoció como la " inestabilidad torcida ".

Pellizco estabilizado

En 1953, el "pellizco estabilizado" pareció resolver los problemas encontrados en dispositivos anteriores. Las máquinas de pellizco estabilizadas agregaron imanes externos que crearon un campo magnético toroidal dentro de la cámara. Cuando se disparó el dispositivo, este campo se sumó al creado por la corriente en el plasma. El resultado fue que el campo magnético anteriormente recto se retorció en una hélice, que las partículas siguieron mientras viajaban alrededor del tubo impulsadas por la corriente. Una partícula cerca del exterior del tubo que quisiera retorcerse hacia afuera viajaría a lo largo de estas líneas hasta que regresara al interior del tubo, donde su movimiento dirigido hacia afuera lo llevaría de regreso al centro del plasma.

Investigadores en el Reino Unido comenzaron la construcción de ZETA en 1954. ZETA fue, con mucho, el dispositivo de fusión más grande de su época. En ese momento, casi toda la investigación sobre fusión estaba clasificada, por lo que el progreso en ZETA era generalmente desconocido fuera de los laboratorios que trabajaban en él. Sin embargo, los investigadores estadounidenses visitaron ZETA y se dieron cuenta de que estaban a punto de ser superados. Los equipos de ambos lados del Atlántico se apresuraron a ser los primeros en completar máquinas pinch estabilizadas.

ZETA ganó la carrera y en el verano de 1957 estaba produciendo ráfagas de neutrones en cada carrera. A pesar de las reservas de los investigadores, sus resultados se publicaron con gran fanfarria como el primer paso exitoso en el camino hacia la energía de fusión comercial. Sin embargo, estudios posteriores pronto demostraron que las mediciones eran engañosas y que ninguna de las máquinas estaba cerca de los niveles de fusión. El interés en los dispositivos de pellizco se desvaneció, aunque ZETA y su primo Sceptre sirvieron durante muchos años como dispositivos experimentales.

Propulsión basada en fusión

Más información: cohete Fusion

Se desarrolló un concepto de sistema de propulsión por fusión Z-pinch a través de la colaboración entre la NASA y empresas privadas. ^[1] La energía liberada por el efecto Z-pinch acelera el propulsor de litio a una alta velocidad, lo que da como resultado un valor de impulso específico de 19400 sy un empuje de 38 kN. Se requiere una boquilla magnética para convertir la energía liberada en un impulso útil. Este método de propulsión podría reducir significativamente los tiempos de viaje interplanetario. Por ejemplo, una misión a Marte tomaría alrededor de 35 días en un solo sentido con un tiempo total de combustión de 20 días y una masa de propulsor quemado de 350 toneladas. ^[2]

Tokamak

Aunque permaneció relativamente desconocido durante años, los científicos soviéticos utilizaron el concepto de pellizco para desarrollar el dispositivo tokamak . A diferencia de los dispositivos de pellizco estabilizados en los EE. UU. Y el Reino Unido, el tokamak utilizó considerablemente más energía en los imanes estabilizadores y mucho menos en la corriente de plasma. Esto redujo las inestabilidades debidas a las grandes corrientes en el plasma y condujo a grandes mejoras en la estabilidad. Los resultados fueron tan dramáticos que otros investigadores se mostraron escépticos cuando se anunciaron por primera vez en 1968. Se llamó a los miembros del equipo ZETA, aún en funcionamiento, para verificar los resultados. El tokamak se convirtió en el método más estudiado para la fusión controlada.

Flujo cizallado estabilizado

La estabilización de flujo cortado utiliza una o más vainas de plasma de flujo anular de alta velocidad, que rodean un filamento de plasma, para estabilizar el filamento contra inestabilidades de pellizco y torcedura. ^{[3] [4]}

En 2018, un Z-pinch estabilizado con flujo cizallado demostró la generación de neutrones. Fue construido por una empresa de fusión, Zap Energy, Inc., ^[5] fundada a través de la Universidad de Washington . ^{[6] El} plasma estabilizado por flujo se mantuvo estable 5.000 veces más que un plasma estático. ^[7] Una mezcla de 20% de deuterio y 80% de hidrógeno por presión, produjo emisiones de neutrones que duraron aproximadamente 5 μs con corrientes de pellizco de aproximadamente 200 kA durante un período de aproximadamente 16 μs de quiescencia del plasma. El rendimiento medio de neutrones se estimó que era (1,25 ± 0,45) × 10 ⁵  neutrones / impulso. Se midieron temperaturas plasmáticas de 1 a 2 keV y densidades de aproximadamente 10 ¹⁷  cm ⁻³ con radios de pellizco de 0,3 cm.^[8]

Experimentos

Una máquina Z-pinch en la UAM, Ciudad de México.

Las máquinas Z-pinch se pueden encontrar en la Universidad de Nevada, Reno (EE. UU.), Universidad de Cornell (EE. UU.), Universidad de Michigan (EE. UU.), Sandia National Laboratories (EE. UU.), Universidad de California, San Diego (EE. UU.), Universidad de Washington. (Estados Unidos), Ruhr University (Alemania), Imperial College (Reino Unido), École Polytechnique (Francia), Weizmann Institute of Science (Israel), Universidad Autónoma Metropolitana (México), NSTRI (Irán).

Ver también

• Instalación de energía pulsada Z
• Pinch (física del plasma)

Referencias

1. Adams, R. "Diseño conceptual de un sistema de propulsión de fusión Z-Pinch" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 30 de junio de 2014 . Consultado el 20 de mayo de 2014 .
2. Miernik, J .; Statham, G .; Fabisinski, L .; Maples, CD; Adams, R .; Polsgrove, T .; Fincher, S .; Cassibry, J .; Cortez, R .; Turner, M .; Percy, T. (2013). "Propulsión nuclear basada en fusión Z-Pinch". Acta Astronautica . 82 (2): 173–82. Código bibliográfico : 2013AcAau..82..173M . doi : 10.1016 / j.actaastro.2012.02.012 .(requiere suscripción)
3. Forbes, Eleanor G .; Shumlak, Uri; McLean, Harry S .; Nelson, Brian A .; Claveau, Elliot L .; Golingo, Raymond P .; Higginson, Drew P .; Mitrani, James M .; Stepanov, Anton D .; Tummel, Kurt K .; Weber, Tobin R. (11 de junio de 2018). "Progreso hacia un reactor de fusión compacto utilizando el Z-Pinch estabilizado de flujo cizallado". Ciencia y tecnología de fusión . Informa UK Limited. doi : 10.1080 / 15361055.2019.1622971 .
4. Shumlak, U. (27 de mayo de 2020). "Fusión Z-pinch" . Revista de Física Aplicada . Publicación AIP. doi : 10.1063 / 5.0004228 .
5. "Zap Energy" . Zap Energy .
6. "Desarrollo de un dispositivo compacto de fusión" (PDF) .
7. Lavars, Nick (12 de abril de 2019). "El avance de la fusión nuclear da vida al enfoque de Z-pinch pasado por alto" . Nuevo Atlas . Consultado el 14 de abril de 2019 .
8. Zhang, Y .; Shumlak, U .; Nelson, B. A .; Golingo, R. P .; Weber, T. R .; Stepanov, A. D .; Claveau, E. L .; Forbes, E. G .; Draper, Z. T. (4 de abril de 2019). "Producción sostenida de neutrones de un pellizco Z estabilizado de flujo cizallado" . Cartas de revisión física . 122 (13). arXiv : 1806.05894 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.122.135001 . ISSN 0031-9007 . 

Enlaces externos

• Máquina Z (Sandia Labs)
• Un concepto de planta de energía Z-Pinch de fusión inercial (Sandia Labs)
• Ruta de desarrollo para Z-pinch IFE
• "Física de 'Ocean's Eleven'"
• El proyecto MAGPIE en el Imperial College de Londres se utiliza para estudiar las implosiones Z-pinch de la matriz de cables.