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 pellizco ). Estos sistemas se denominaban originalmente simplemente pinch o pinch de 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 hace referencia a la dirección de la corriente en los dispositivos, el eje Z en un gráfico tridimensional cartesiano . Cualquier máquina que provoque un efecto de pinzamiento debido a la corriente que circula en esa dirección se denomina correctamente sistema de pinzamiento 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 con forma de rosquilla con el eje Z recorriendo 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. Es uno de los primeros enfoques de los dispositivos de energía de fusión , junto con el estelarizador y el espejo magnético .
El Z-pinch es una aplicación de la fuerza de Lorentz , en la que un conductor que transporta corriente en un campo magnético experimenta una fuerza. Un ejemplo de la fuerza de Lorentz es que, si dos cables paralelos transportan corriente en la misma dirección, los cables se atraerán entre sí. En una máquina Z-pinch, los cables se sustituyen por un plasma , que puede considerarse como muchos cables que transportan corriente. Cuando se hace pasar una corriente a través del plasma, las partículas del plasma son atraídas entre sí por la fuerza de Lorentz, por lo que el plasma se contrae. La contracción se contrarresta con 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 los dispositivos prácticos, esto normalmente se arreglaba colocando el recipiente de plasma dentro del núcleo de un transformador , dispuesto de modo que el plasma mismo fuera el secundario. Cuando se enviaba corriente al lado primario del transformador, el campo magnético inducía una corriente en el plasma. Como la inducción requiere un campo magnético cambiante , 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 aumentarse con el tiempo para producir el campo magnético variable. Esto impone 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 se suministra desde un gran banco de condensadores y se activa mediante un descargador de chispas , conocido como banco Marx o generador Marx . Como la conductividad del plasma es bastante buena, aproximadamente la del cobre , la energía almacenada en la fuente de alimentación se agota rápidamente al pasar a través del plasma. Los dispositivos Z-pinch son inherentemente pulsados.
Los dispositivos de pinzamiento estuvieron entre los primeros intentos de desarrollar energía de fusión. La investigación comenzó en el Reino Unido en la era inmediatamente posterior a la guerra, pero la falta de interés provocó que se desarrollaran pocos hasta la década de 1950. El anuncio del Proyecto Huemul a principios de 1951 dio lugar a intentos de fusión en todo el mundo, especialmente en el Reino Unido y en los EE. UU. (véase Maybeatron , una máquina de pinzamiento en z en LANL ). Se construyeron pequeños experimentos en laboratorios a medida que se abordaban diversos problemas prácticos, pero todas estas máquinas demostraron inestabilidades inesperadas del plasma que harían que chocara contra las paredes del recipiente contenedor. El problema se conoció como " inestabilidad de torcedura ".
En 1953, el "pinzamiento estabilizado" pareció resolver los problemas encontrados en los dispositivos anteriores. Las máquinas de pinchado estabilizado agregaron imanes externos que crearon un campo magnético toroidal dentro de la cámara. Cuando se encendía el dispositivo, este campo se sumaba al creado por la corriente en el plasma. El resultado fue que el campo magnético anteriormente recto se torció en una hélice, que las partículas siguieron a medida que viajaban alrededor del tubo impulsadas por la corriente. Una partícula cerca del exterior del tubo que quisiera torcerse hacia afuera viajaría a lo largo de estas líneas hasta que regresara al interior del tubo, donde su movimiento dirigido hacia afuera la llevaría de regreso al centro del plasma.
Los investigadores del Reino Unido comenzaron a construir ZETA en 1954. ZETA era, con diferencia, el mayor dispositivo de fusión de su época. En aquella época, casi toda la investigación sobre fusión era secreta, por lo que los avances de ZETA eran generalmente desconocidos 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 quedarse atrás. Los equipos de ambos lados del Atlántico se apresuraron a ser los primeros en completar las máquinas de pinza estabilizadas.
ZETA ganó la carrera y, en el verano de 1957, producía ráfagas de neutrones en cada intento. A pesar de las reservas de los investigadores, sus resultados se dieron a conocer 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 pinzamiento se desvaneció, aunque ZETA y su primo Sceptre sirvieron durante muchos años como dispositivos experimentales.
Mediante la colaboración entre la NASA y empresas privadas se desarrolló un concepto de sistema de propulsión de fusión Z-pinch . [1] La energía liberada por el efecto Z-pinch aceleraría el propulsor de litio a una alta velocidad, lo que daría como resultado un valor de impulso específico de 19400 s y un empuje de 38 kN. Se necesitaría una tobera magnética para convertir la energía liberada en un impulso útil. Este método de propulsión podría reducir potencialmente los tiempos de viaje interplanetario. Por ejemplo, una misión a Marte tardaría unos 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]
Aunque permaneció relativamente desconocido durante años, los científicos soviéticos utilizaron el concepto de pinza para desarrollar el dispositivo tokamak . A diferencia de los dispositivos de pinza estabilizados de los EE. UU. y el Reino Unido, el tokamak utilizaba considerablemente más energía en los imanes estabilizadores y mucha menos en la corriente de plasma. Esto reducía las inestabilidades debidas a las grandes corrientes en el plasma y conducía a grandes mejoras en la estabilidad. Los resultados fueron tan espectaculares que otros investigadores se mostraron escépticos cuando se anunciaron por primera vez en 1968. Se convocó a miembros del equipo ZETA, todavía en funcionamiento, para verificar los resultados. El tokamak se convirtió en el método más estudiado para la fusión controlada.
La estabilización por flujo cizallado utiliza una o más capas de plasma que fluyen anularmente a alta velocidad, rodeando un filamento de plasma, para estabilizar el filamento contra inestabilidades por torcedura y pinzamiento. [3] [4]
En 2018, un Z-pinch estabilizado por flujo cortado demostró la generación de neutrones. Fue construido por una empresa de fusión, Zap Energy , Inc., [5] una escisión de la Universidad de Washington , [6] y financiado por inversores estratégicos y financieros y subvenciones de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada - Energía ( ARPA-E ). [7] [8] El plasma estabilizado por flujo se mantuvo estable 5000 veces más que un plasma estático. [9] Una mezcla de 20% de deuterio y 80% de hidrógeno por presión produjo emisiones de neutrones que duraron aproximadamente 5 μs con corrientes de pinch de aproximadamente 200 kA durante un período de aproximadamente 16 μs de inactividad del plasma. El rendimiento promedio de neutrones se estimó en (1,25 ± 0,45) × 10 5 neutrones/pulso. Se midieron temperaturas de plasma de 1 a 2 keV (12 a 24 millones de °C) y densidades de aproximadamente 10 17 cm −3 con radios de pinzamiento de 0,3 cm. [10]
Las máquinas Z-pinch se pueden encontrar en la Universidad de Nevada, Reno (EE. UU.), la Universidad de Cornell (EE. UU.), la Universidad de Michigan (EE. UU.), los Laboratorios Nacionales Sandia (EE. UU.), la Universidad de California, San Diego (EE. UU.), la Universidad de Washington (EE. UU.), la Universidad del Ruhr (Alemania), el Imperial College (Reino Unido), la École Polytechnique (Francia), el Instituto de Ciencias Weizmann (Israel), la Universidad Autónoma Metropolitana (México) y el NSTRI (Irán).