有关Z-pinch的小文

2014-02-06

“Z-pinch”，硬要翻译成中文的话就是 Z箍缩/Z箍束之类。

我国有九院（中国工程物理研究院）和西安21所在搞这方面的研究。暑假去参观了九院的PTS，又听了所长的汇报，有认真地查过这方面的资料，斗胆答之~

下面贴一部分之前写的文章的内容：

##1. Z-pinch概念##

Z-pinch又称Z箍缩，是依靠轴向（Z方向）强大电流产生的洛伦兹力作用下，使自身箍缩或向轴线内聚运动的柱对称等离子体构型[1]。

Z箍缩的过程主要可分为负载消融、内爆和滞止三个部分。首先由百万安培级的大电流，使电离形成等离子体，并飞向中心，这个阶段大概占据内爆时间的60%~70%；之后是压缩内爆，这个阶段电磁能逐渐馈入等离子体，等离子体能量主要以动能为主，辐射较弱；最后的滞止阶段，等离子体迅速热化，热化的等离子体迅速辐射出极强的X光，以作为一些列应用的基础。

fig 1

图1 Z-pinch基本过程示意图

Z箍缩研究及应用的主要构型和方向是20世纪70年代提出的电磁驱动套筒内爆，主要包括以气流、金属丝阵或箔筒为初始介质的等离子体套筒和金属（单质或复合）固体套筒两大类，依靠电磁力内聚驱动。目前，世界上大多数实验室以金属丝阵的等离子体套筒内爆为主。

fig 2

图2 Z-pinch所用丝阵及靶

##2. 研究方向##

•受控核聚变

•Z箍缩作为X射线和中子的辐射源

•X射线激光器

•超强脉冲磁场

•加速器中高能粒子的聚焦

##3. 主要装置及实验##

目前Z—Pinch的研究发展为快过程和慢过程两个方向。所谓快过程，是电流脉冲宽度在几十至300纳秒范围内的过程，主要用于强X光源的产生和应用。所谓慢过程，是电流脉冲宽度为微秒级(可达几微秒)的过程，主要用于驱动质量较重的金属套筒。随着核禁试的到来，美国把Z—Pinch研究列入了核武器库存管理计划(包括快过程和慢过程)，特别是从1995年以后，由于负载结构从套筒变为丝阵，X光辐射功率和产额不断取得突破，因而在全世界范围内引起了极大的重视。

fig 3 3.1 Sandia实验室ZR装置

图3 ZR装置示意图

美国的Z-pinch作为NIF计划的一部分，在世界处于较领先地位。2007年初，圣地亚实验室成功建成ZR装置（见图3）。作为Z装置的改造升级，ZR装置是目前国际上从事Z箍缩技术研究的最大的装置[3]。

3.2 Baikal驱动装置

Baikal驱动装置由俄罗斯提出设计，电流峰值达50MA[4]。Baikal项目投资约1亿美元，于2012年开建，预计2019年建成。前沿时间150ns，装置储能60MJ，峰值电流50MA。Baikal装置的目标是实现惯性约束聚变。目前已有Angara-5-1装置就Z-pinch中X射线的产生机理等问题进行工程上的探究。[5]

3.3 中国工程物理研究院PTS装置

我国Z箍缩技术研究起步较晚, 国内第一台大型Z 箍缩装置是中国工程物理研究院正在建造中的初级实验平台——PTS( primary test station)，目前已经投入运行。PTS的设计电流为10MA，上升时间约为90ns[5]，由24个相同模块径向环形排列组成。虽然PTS与ZR装置的模块数不同，但其MITL数量与构型却相似，同样是由4条圆锥MITL向负载中心汇聚。[6]

另外，我国的Z-pinch研究装置还有西安21所的“强光一号”。其设计负载电流为2MA。在其他国家，还有英国的MAGPIE实验室也有Z-pinch相关研究。

结论

Z-pinch应用于聚变裂变混合堆有聚变增强裂变武器的现实范例，并且相对于传统的聚变裂变混合堆，对浓缩铀、钚的需求量大大减少，且大大降低了聚变点火难度。并且，工程技术上可以大量借鉴现有的压水堆技术，工程难度及建设投入相对较低。

Z-pinch驱动的聚变裂变混合堆有以下优点：

可持续性（高燃料利用率、废物最小化）；
经济性：全寿期经济性；
安全可靠性：固有安全性高；
防核扩散：限制浓缩和铀、钚分离。

但要达到Z-pinch驱动核聚变点火，还需要以下方面的长足发展：驱动器负载电流达60MA、使用多种材料构建多层的毫米量级的靶丸，并实现准球对称向心压缩。

##参考文献## ————————————————————

[1] 彭先觉. Z 箍缩驱动聚变裂变混合堆——一条有竞争力的能源技术途径[J]. 西南科技大学学报, 2010, 25(4): 1-4.

[2] 邱爱慈, 孙凤举. Z 箍缩和闪光照相用快脉冲功率源技术的发展[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(12): 1937-1946.

[3] 丁宁, 张扬, 宁成, 等. PTS 装置 Z箍缩负载设计分析[J]. 物理学报, 2008, 57(5): 3027-3037.

[4] Grabovsky E V, Azizov E A, Alikhanov S G, et al. Development of X-ray facility “Baikal” based on 900MJ inductive store and related problems[C]//Proc of 13th IEEE IPPC. 2001: 773-776.

[5] Grabovski E V, Aleksandrov V V, Fedulov M V, et al. The “Baikal” project and investigations of radiating Z-pinches at the “Angara-5-1” facility[C]//High Power Particle Beams (BEAMS), 2008 17th International Conference on. IEEE, 2008: 1-6.

[5] 何安, 任济, 丰树平, 等. Z 箍缩初级实验平台的激光触发系统[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(4): 839.

[6] 陈敬平, 王雄, 彭钦军, 等. 快Z箍缩中子源混合堆界面研究进展[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(7): 1713.

[7] 孙成纬. 高密度Z箍缩等离子体物理学[M]. 2003.

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