Z-машина

Z-машина — это экспериментальная установка, предназначенная для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения путём сжатия плазмы под действием электрического тока (Z-пинч). Является крупнейшим в мире генератором рентгеновских лучей, использующим принцип магнитного удержания и сжатия плазменного шнура. Расположена в Национальной лаборатории Сандия (США, штат Нью-Мексико). Основное назначение — изучение поведения материалов в экстремальных условиях высоких температур и давлений, а также моделирование термоядерных процессов.

История создания

Разработка Z-машины началась в 1970-х годах в рамках программы Министерства энергетики США по изучению физики высоких плотностей энергии. Первоначально установка называлась «Z-пинч» и была построена в 1980 году. В 1996 году была проведена масштабная модернизация, после чего машина получила современное название. В 2006 году была завершена очередная реконструкция, увеличившая пиковую мощность излучения в несколько раз.

С 2010-х годов Z-машина используется для исследований в области инерциального термоядерного синтеза (ИТС) в рамках национальной программы США по созданию управляемой термоядерной реакции. По состоянию на 2024 год является одной из трёх крупнейших в мире установок такого класса наряду с лазерной установкой NIF (National Ignition Facility) и российским токамаком Т-15МД.

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

• Конденсаторная батарея — массив из 36 параллельно соединённых конденсаторов общей ёмкостью около 10,3 мФ. Заряжается до напряжения 90 кВ, запасая энергию до 22 МДж.
• Коммутаторная система — газовые разрядники, управляемые лазерным поджигом, обеспечивающие синхронное замыкание цепи за время менее 1 мкс.
• Камера сжатия — вакуумная камера, в центре которой размещается мишень (цилиндрический контейнер с плазмообразующим веществом).
• Диагностическое оборудование — рентгеновские камеры, спектрометры, интерферометры и системы регистрации частиц.

Принцип Z-пинча

Работа Z-машины основана на эффекте Z-пинча: при пропускании мощного электрического тока через плазму (обычно ионизированный газ или металлическая фольга) возникает магнитное поле, которое сжимает плазменный шнур к оси. Сжатие происходит за время около 100 нс, при этом температура плазмы достигает 2–3 млрд К (200–300 кэВ), а давление — до 10 млн атмосфер. В результате образуется импульс рентгеновского излучения мощностью до 290 ТВт (тераватт) и энергией до 1,8 МДж.

Конструкция мишени

Мишень представляет собой цилиндр из тонкой металлической фольги (обычно алюминий или вольфрам) диаметром 10–20 мм и высотой 10–15 мм. Внутри цилиндра может размещаться капсула с дейтерием-тритием (для термоядерных экспериментов). При прохождении тока фольга мгновенно испаряется, образуя плазменный шнур, который сжимается под действием пинч-эффекта.

Характеристики

Применение

Исследования в области термоядерного синтеза

Z-машина используется для изучения условий, необходимых для запуска термоядерной реакции. В экспериментах с капсулами, содержащими смесь дейтерия и трития, удаётся получить нейтронный выход до 10¹³ нейтронов за импульс, что соответствует энерговыделению порядка 1 кДж. Однако для достижения положительного энергетического баланса (когда выделяемая энергия превышает затраченную) требуется увеличение мощности в 10–100 раз.

Физика высоких плотностей энергии

Установка позволяет моделировать процессы, происходящие в ядрах звёзд и планет, а также при ядерных взрывах. Исследуются уравнения состояния материалов при сверхвысоких давлениях, фазовые переходы, теплопроводность и другие свойства.

Разработка ядерного оружия

Z-машина является частью программы США по поддержанию надёжности ядерного арсенала без проведения натурных испытаний (Stockpile Stewardship Program). На ней проверяются модели поведения ядерных боезарядов в условиях, близких к взрывным.

Материаловедение

Изучается поведение конструкционных материалов (стали, вольфрама, карбида кремния) при сверхвысоких температурах и давлениях. Результаты используются при создании корпусов термоядерных реакторов, космических аппаратов и бронезащиты.

Научные достижения

• Рекордная мощность рентгеновского излучения — в 2003 году достигнута мощность 290 ТВт, что является абсолютным рекордом для лабораторных источников.
• Первое лабораторное получение термоядерных нейтронов — в 2004 году зафиксирован нейтронный выход 10¹³ нейтронов за импульс, что подтвердило протекание термоядерных реакций.
• Моделирование астрофизических процессов — в 2010-х годах проведены эксперименты по имитации ударных волн в сверхновых и аккреционных дисках чёрных дыр.
• Разработка новых методов сжатия — в 2020 году предложена схема «динамического Z-пинча», позволяющая увеличить плотность плазмы в 3–5 раз.

Ограничения и критика

• Энергетическая эффективность — КПД Z-машины составляет около 10% (электрическая энергия преобразуется в рентгеновское излучение). Для достижения коммерческого термоядерного синтеза требуется КПД не менее 30%.
• Разрушение оборудования — каждый эксперимент приводит к разрушению мишени и части камеры сжатия. После каждого импульса требуется замена расходных элементов и восстановление вакуума.
• Сложность масштабирования — увеличение мощности требует пропорционального увеличения размеров конденсаторной батареи, что приводит к росту стоимости и габаритов установки.
• Экологические риски — при работе с тритием и радиоактивными материалами требуется соблюдение строгих мер безопасности. Утилизация отходов после экспериментов представляет отдельную проблему.

Сравнение с другими установками

Перспективы развития

В 2023 году Министерство энергетики США объявило о программе модернизации Z-машины (проект Z-Next), предусматривающей увеличение пиковой мощности до 1 ПВт (петаватт) и энергии импульса до 10 МДж. Реализация проекта запланирована на 2028–2032 годы. Параллельно разрабатывается концепция Z-IFE (Z-pinch Inertial Fusion Energy) — коммерческого термоядерного реактора на основе Z-пинча, который мог бы обеспечивать электрическую мощность до 500 МВт.

Интересные факты

• Название «Z-машина» происходит от оси Z в цилиндрической системе координат, вдоль которой направлен ток.
• В 2006 году на установке был зафиксирован рекордный нейтронный выход для Z-пинча — 2,5×10¹³ нейтронов за импульс.
• Z-машина способна генерировать магнитные поля напряжённостью до 1000 Тл (тесла), что в 10 раз превышает поле в современных МРТ-томографах.
• В 2012 году на установке впервые получено рентгеновское изображение с разрешением 1 мкм при времени экспозиции 1 нс.
• Стоимость одного эксперимента на Z-машине составляет около 1 млн долларов США.

Источники

• Sandia National Laboratories. Z Machine: The world's most powerful laboratory X-ray source. — 2022.
• Haines M. G. A review of the dense Z-pinch // Plasma Physics and Controlled Fusion. — 2011. — Vol. 53, № 9.
• Matzen M. K. et al. The Z-pinch approach to inertial confinement fusion // Physics of Plasmas. — 2005. — Vol. 12, № 5.
• National Nuclear Security Administration. Stockpile Stewardship Program: Annual Report. — 2023.
• Курчатовский институт. Токамак Т-15МД: технические характеристики. — 2021.