Z脈衝功率設施

桑迪亞國家實驗室的Z機在魚眼鏡頭下的俯視圖, 2012年。由於極高的高壓電，供電設備浸沒在2百萬升（(2,000 m³)）變壓器油和2.3百萬升（2,300 m³）去離子水的同心室中，作為絕緣體。 然而，當機器放電時的電磁脈衝導致令人印象深刻的閃電，被稱為「閃絡(flashover)」，其可以在房間中的許多金屬物體周圍被看到。

Z機橫截面圖

Z機示意圖

Z脈衝功率設施(Z Pulsed Power Facility)，非正式稱為"Z機"，是世界上最大的高頻電磁波發生器，設計用於在極端溫度和壓力條件下測試材料。自1996年10月重新裝修以來，它主要被用作慣性約束聚變（ICF）研究設施。 由桑迪亞國家實驗室操作，它收集數據以幫助核武器和最終的核聚變脈衝發電廠(nuclear power)的計算機建模。 Z機位於新墨西哥州阿爾伯克基的桑迪亞的主要場所

歷史

Z機的起源可以追溯到美國能源部需要在實驗室環境中複製氫彈的核聚變反應，以更好地理解所涉及的物理學。

自1970年代以來，美國能源部一直在研究通過核聚變反應發電的方法，包括連續反應，例如托卡馬克裝置或小原子球的離散核聚變。 由於當時激光器遠達不到所需的功率，因此考慮的主要方法是重離子聚變 (HIF)。然而，Q開關和鎖模技術等重大進步使激光器成為一種選擇（最終在國家點火裝置中達到頂峰），並且重離子聚變(HIF)計劃或多或少地處於休眠狀態。1985年，美國國家科學院對美國能源部計劃的審查指出「能源危機暫時處於休眠狀態」。 重離子聚變機器的任務是幫助軍事研究改進核彈。

桑迪亞的第一項研究可以追溯到 1971 年，當時 Gerold Yonas 發起並指導了粒子束聚變計劃。 電子是第一個被想到的粒子，因為當時的脈衝功率加速器已經將它們以高功率集中在小範圍內。 然而，此後不久人們意識到電子不可能足夠快地加熱聚變燃料以達到目的。 然後程序從電子轉向質子。 事實證明，這些太輕了，無法很好地控制，無法集中到目標上，於是程序轉向了輕離子鋰。 加速器名稱反映了重點的變化：首先加速器的名稱是 EBFA-I（電子束聚變加速器），此後不久成為 PBFA-I，稱為土星。 質子需要另一個加速器 PBFA-II，它的名稱變成了Z。

Z機的物理學

Z 機使用眾所周知的Z-pinch原理，其中電容器通過等離子體管快速放電導致它被由此產生的洛倫茲力向其中心線壓縮。 Bennet 成功地研究了 Z 夾點在等離子體壓縮中的應用。 Z 機布局為圓柱形。 它的外部裝有巨大的電容器，通過馬克思發生器放電，產生1微秒的高壓脈衝。 然後 Yonas 使用一個系統將這個時間除以 10，利用水的介電功率，以產生 100 ns 的放電。

然而，儘管使用了高功率，但由於缺乏足夠的粒子束聚焦，這項努力對於重離子聚變並不成功。 很長一段時間以來，人們就知道洛倫茲力是徑向的，但電流高度不穩定並沿圓柱旋轉，這會導致內爆管扭曲，從而降低壓縮質量。

俄羅斯科學家 Valentin Smirnov 隨後有了用線陣列代替管（稱為「線陣列」）的想法，以對抗電流的方位角流動，從而對抗磁流體動力學 (MHD) 不穩定性。 庫爾恰托夫研究所的安加拉五號（Angara V）設施也是出於同樣的原因建造的：幫助模擬和設計氫彈的第二階段，並測試高功率X射線對核導彈彈頭的影響。 線陣列內部的空間充滿了聚苯乙烯，這有助於使 X 射線通量均勻化。

任何開發熱核武器的國家都有自己的 Z 機，但那些不使用水管的國家有很長的上升脈衝（例如在法國格拉馬的Sphinx機器中的 800 納秒）。 在英國，MAGPIE 機器位於帝國理工學院，由 Malcolm Haines 控制。

通過移除聚苯乙烯芯，桑迪亞國家實驗室能夠獲得一根 1.5 毫米的細等離子線，其中 1000 萬安培的電流和 90 兆巴的壓力。

前景

基於 1 petawatt LTD 的 z-pinch 加速器的前景擬議模型。
直徑 104 米，70 兆安，24 兆伏。

2004 年宣布了一項名為 ZR（Z Refurbished）的 $6000 萬美元（提高到 $9000 萬美元）改造計劃，以將其功率提高 50%。 Z 機於 2006 年 7 月進行了這次升級，包括安裝新設計的硬件和組件以及更強大的馬克思發生器。該機器的去離子水部分已減少到之前尺寸的一半左右，而油部分已顯着擴大，以容納更大的中間存儲線（i-stores）和新的激光塔，這些塔位於過去的水部分。 翻新工程已經於 2007 年 10 月完成。較新的 Z 機器現在可以在 95 納秒內發射大約 2600 萬安培（而不是之前的 1800 萬安培）。

在2006年初，Z機產生出具有超過20億開爾文（2 GK, 2×10⁹ K）或36億℉（20億攝氏度）的溫度的等離子體，甚至峰值達到3.7 GK或66億華氏度（37億攝氏度）。

桑迪亞的路線圖包括另一個稱為 ZN (Z Neutron) 的 Z 機器版本，用於測試聚變動力和自動化系統的更高產量。 ZN 計劃使用俄羅斯線性變壓器驅動器 (LTD) 取代目前的馬克思發生器，每小時提供 20 至 30 MJ 的氫聚變能量。 經過 8 到 10 年的運行，ZN 將成為一個能夠每 100 秒進行一次聚變射擊的轉化試驗工廠。

計劃的下一步將是 Z-IFE（Z 慣性聚變能）測試設施，這是第一個真正的 Z-pinch 驅動原型聚變發電廠。

參閱

• 桑迪亞國家實驗室
• 磁化內襯慣性核聚變
• 慣性約束聚變（ICF）

外部連結

• （英文）Z脈衝功率設施首頁 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
• （英文）"一台機器叫Z" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, an article from The Observer
• （英文）Physics News Update, February 28, 2006