Z-pincement - Z-pinch

Pince en Z à l'échelle du laboratoire montrant la lueur d'un plasma d'hydrogène expansé. Le courant de pincement et d'ionisation traverse le gaz et revient via les barres entourant le récipient à plasma.
Pince en Z toroïdale à couplage inductif de la taille d'un bureau dans un plasma de krypton montrant une lueur intense du filament de plasma.

Dans la recherche sur l' énergie de fusion , le pincement en Z ( pince zêta ) est un type de système de confinement du plasma qui utilise un courant électrique dans le plasma pour générer un champ magnétique qui le comprime (voir pincement ). Ces systèmes étaient à l'origine appelés simplement pincement ou pincement de Bennett (d'après Willard Harrison Bennett ), mais l'introduction du concept de pincement (pince thêta) a conduit au besoin d'une terminologie plus claire et plus précise.

Le nom fait référence à la direction du courant dans les appareils, l'axe Z sur un graphique tridimensionnel normal . Toute machine qui provoque un effet de pincement en raison du courant circulant dans cette direction est correctement appelée système de pincement en Z, et cela englobe une grande variété de dispositifs utilisés à des fins tout aussi variées. Les premières utilisations se sont concentrées sur la recherche sur la fusion dans des tubes en forme de beignet avec l'axe Z descendant à l'intérieur du tube, tandis que les appareils modernes sont généralement cylindriques et utilisés pour générer des sources de rayons X à haute intensité pour l'étude des armes nucléaires et d'autres rôles. C'est l'une des premières approches des dispositifs de fusion , avec le stellerator et le miroir magnétique .

La physique

Le pincement en Z est une application de la force de Lorentz , dans laquelle un conducteur porteur de courant dans un champ magnétique subit une force. Un exemple de la force de Lorentz est que, si deux fils parallèles transportent du courant dans la même direction, les fils seront tirés l'un vers l'autre. Dans une machine à pincement en Z, les fils sont remplacés par un plasma , qui peut être considéré comme autant de fils porteurs de courant. Lorsqu'un courant traverse le plasma, les particules du plasma sont attirées les unes vers les autres par la force de Lorentz, ainsi le plasma se contracte. La contraction est contrecarrée par l'augmentation de la pression gazeuse du plasma.

Comme le plasma est électriquement conducteur, un champ magnétique à proximité induira un courant dans celui-ci. Cela permet de faire passer un courant dans le plasma sans contact physique, ce qui est important car un plasma peut rapidement éroder les électrodes mécaniques . Dans les appareils pratiques, cela était normalement arrangé en plaçant le récipient à plasma à l'intérieur du noyau d'un transformateur , disposé de manière à ce que le plasma lui-même soit le secondaire. Lorsque le courant était envoyé dans le côté primaire du transformateur, le champ magnétique induisait un courant dans le plasma. Comme l'induction nécessite un champ magnétique changeant et que le courant induit est censé fonctionner dans une seule direction dans la plupart des conceptions de réacteurs, le courant dans le transformateur doit être augmenté au fil du temps pour produire le champ magnétique variable. Cela impose une limite au produit du temps de confinement et du champ magnétique, pour une source d'énergie donnée.

Dans les machines à pincement en Z, le courant est généralement fourni par une grande banque de condensateurs et déclenché par un éclateur , connu sous le nom de Marx Bank ou Marx Generator . Comme la conductivité du plasma est assez bonne, de l'ordre de celle du cuivre , l'énergie stockée dans la source d'alimentation s'épuise rapidement en parcourant le plasma. Les dispositifs à pincement en Z sont par nature pulsés.

Histoire

Les premières machines

Une première photographie de l'instabilité du pli dans un pincement toroïdal - le tube en pyrex 3 par 25 à Aldermaston.

Les dispositifs de pincement ont été parmi les premiers efforts en matière d'énergie de fusion. La recherche a commencé au Royaume-Uni dans l'immédiat après-guerre, mais un manque d'intérêt a conduit à peu de développement jusqu'aux années 1950. L'annonce du projet Huemul au début de 1951 a conduit à des efforts de fusion dans le monde entier, notamment au Royaume-Uni et aux États-Unis. De petites expériences ont été construites dans les laboratoires au fur et à mesure que divers problèmes pratiques étaient résolus, mais toutes ces machines ont démontré des instabilités inattendues du plasma qui le feraient heurter les parois du conteneur. Le problème est devenu connu sous le nom de « kink instabilité ».

Pincement stabilisé

En 1953, le "pincement stabilisé" semblait résoudre les problèmes rencontrés sur les appareils précédents. Les machines à pincement stabilisées ont ajouté des aimants externes qui ont créé un champ magnétique toroïdal à l'intérieur de la chambre. Lors du tir de l'appareil, ce champ s'ajoutait à celui créé par le courant dans le plasma. Le résultat était que le champ magnétique autrefois rectiligne était tordu en une hélice, que les particules suivaient lorsqu'elles se déplaçaient autour du tube entraîné par le courant. Une particule près de l'extérieur du tube qui voulait se plier vers l'extérieur voyagerait le long de ces lignes jusqu'à ce qu'elle retourne à l'intérieur du tube, où son mouvement dirigé vers l'extérieur la ramènerait au centre du plasma.

Des chercheurs britanniques ont commencé la construction de ZETA en 1954. ZETA était de loin le plus grand appareil de fusion de son époque. À l'époque, presque toutes les recherches sur la fusion étaient classifiées, de sorte que les progrès sur ZETA étaient généralement inconnus en dehors des laboratoires qui y travaillaient. Cependant, des chercheurs américains ont visité ZETA et se sont rendu compte qu'ils étaient sur le point d'être dépassés. Des équipes des deux côtés de l'Atlantique se sont précipitées pour être les premières à terminer les machines à pincer stabilisées.

ZETA a remporté la course et, à l'été 1957, il produisait des rafales de neutrons à chaque course. Malgré les réserves des chercheurs, leurs résultats ont été publiés en grande pompe comme la première étape réussie sur la voie de l'énergie de fusion commerciale. Cependant, une étude plus approfondie a rapidement démontré que les mesures étaient trompeuses et qu'aucune des machines n'était proche des niveaux de fusion. L'intérêt pour les dispositifs de pincement s'est estompé, bien que ZETA et son cousin Sceptre aient servi pendant de nombreuses années comme dispositifs expérimentaux.

Propulsion basée sur la fusion

Plus d'informations: Fusée Fusion

Un concept de système de propulsion à fusion Z-pince a été développé grâce à une collaboration entre la NASA et des entreprises privées. L'énergie libérée par l'effet de pincement en Z accélérerait le propulseur au lithium à une vitesse élevée, entraînant une valeur d' impulsion spécifique de 19 400 s et une poussée de 38 kN. Une buse magnétique serait nécessaire pour convertir l'énergie libérée en une impulsion utile. Cette méthode de propulsion pourrait potentiellement réduire les temps de trajet interplanétaire. Par exemple, une mission vers Mars prendrait environ 35 jours aller simple avec une durée de combustion totale de 20 jours et une masse de propergol brûlée de 350 tonnes.

Tokamak

Bien qu'il soit resté relativement inconnu pendant des années, les scientifiques soviétiques ont utilisé le concept du pincement pour développer le dispositif tokamak . Contrairement aux dispositifs de pincement stabilisés aux États-Unis et au Royaume-Uni, le tokamak a utilisé considérablement plus d'énergie dans les aimants stabilisateurs et beaucoup moins dans le courant de plasma. Cela a réduit les instabilités dues aux courants importants dans le plasma et a conduit à de grandes améliorations de la stabilité. Les résultats étaient si spectaculaires que d'autres chercheurs étaient sceptiques lorsqu'ils ont été annoncés pour la première fois en 1968. Des membres de l'équipe ZETA toujours opérationnelle ont été appelés pour vérifier les résultats. Le tokamak est devenu l'approche la plus étudiée de la fusion contrôlée.

Flux de cisaillement stabilisé

La stabilisation par écoulement cisaillé utilise une ou plusieurs gaines de plasma à écoulement annulaire à grande vitesse, entourant un filament de plasma, pour stabiliser le filament contre les instabilités de pliage et de pincement.

En 2018, un pincement en Z stabilisé à écoulement cisaillé a démontré la génération de neutrons. Il a été construit par une société de fusion, Zap Energy, Inc., une entreprise dérivée de l' Université de Washington , et financé par des investisseurs stratégiques et financiers et des subventions de l'Advanced Research Projects Agency - Energy (ARPA-E). Le plasma à flux stabilisé est resté stable 5 000 fois plus longtemps qu'un plasma statique. Un mélange de 20 % de deutérium et de 80 % d'hydrogène sous pression a produit des émissions de neutrons d'une durée d'environ 5 s avec des courants de pincement d'environ 200 kA pendant une période d'environ 16 s de repos du plasma. Le rendement moyen de neutrons a été estimée à (1,25 ± 0,45) x 10 5  neutrons / impulsion. Des températures de plasma de 1 à 2 keV (12 à 24 millions de °C) et des densités d'environ 10 17  cm -3 avec des rayons de pincement de 0,3 cm ont été mesurées.

Expériences

Une machine à pincement en Z chez UAM, Mexico.

Les machines à pincement en Z sont disponibles à l' Université du Nevada, Reno (États-Unis), Cornell University (États-Unis), Université du Michigan (États-Unis), Sandia National Laboratories (États-Unis), Université de Californie, San Diego (États-Unis), Université de Washington (États-Unis), Ruhr University (Allemagne), Imperial College (Royaume-Uni), École Polytechnique (France), Weizmann Institute of Science (Israël), Universidad Autónoma Metropolitana (Mexique), NSTRI (Iran).

Voir également

Les références

Liens externes