En la investigación de la energía de fusión , el pellizco Z ( 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 ). Originalmente, estos sistemas se denominaban simplemente pellizco o pellizco de Bennett (en honor a Willard Harrison Bennett ), pero la introducción del concepto de pellizco θ (pellizco theta) generó 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 pellizco debido a la corriente que circula en esa dirección se denomina correctamente sistema de pellizco en 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 una de las primeras aproximaciones a los dispositivos de energía de fusión , junto con el estelarador y el espejo magnético .
El pellizco en Z 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 acercarán uno hacia el otro. En una máquina de pellizco en Z, los cables se reemplazan por un plasma , que puede considerarse como muchos cables portadores de corriente. Cuando pasa 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 mediante 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 corriente al plasma sin contacto físico, lo cual es importante ya que el plasma puede erosionar rápidamente los electrodos mecánicos . En dispositivos prácticos, esto normalmente se arreglaba colocando el recipiente de plasma dentro del núcleo de un transformador , dispuesto de manera que el propio plasma fuera el secundario. Cuando se enviaba corriente al lado primario del transformador, el campo magnético inducía una corriente hacia 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 determinada.
En las máquinas de pellizco en Z, la corriente generalmente proviene de un gran banco de condensadores y se activa mediante una descarga de chispas , conocida como banco de Marx o generador de Marx . Como la conductividad del plasma es bastante buena, similar a la del cobre , la energía almacenada en la fuente de energía se agota rápidamente al atravesar el plasma. Los dispositivos de pellizco en Z son inherentemente de naturaleza pulsada.
Los dispositivos de pellizco estuvieron entre los primeros esfuerzos en energía de fusión. La investigación comenzó en el Reino Unido en la era inmediata de la posguerra, pero la falta de interés condujo a poco desarrollo hasta la década de 1950. El anuncio del Proyecto Huemul a principios de 1951 condujo a esfuerzos de fusión en todo el mundo, especialmente en el Reino Unido y Estados Unidos (ver Quizásatron , una máquina de pellizco en z en LANL ). Se construyeron pequeños experimentos en los laboratorios a medida que se abordaban diversas cuestiones prácticas, pero todas estas máquinas demostraron inestabilidades inesperadas del plasma que harían que golpeara las paredes del recipiente contenedor. El problema se conoció como " inestabilidad kink ".
En 1953, el "pellizco estabilizado" parecía resolver los problemas encontrados en dispositivos anteriores. Las máquinas de pellizco estabilizadas agregaron imanes externos que crearon un campo magnético toroidal dentro de la cámara. Cuando se disparó el dispositivo, este campo se sumó al creado por la corriente en el plasma. El resultado fue que el campo magnético, anteriormente recto, se retorció formando una hélice, que las partículas seguían mientras viajaban alrededor del tubo impulsadas por la corriente. Una partícula cerca del exterior del tubo que quisiera retorcerse hacia afuera viajaría a lo largo de estas líneas hasta regresar al interior del tubo, donde su movimiento dirigido hacia afuera la traería de regreso al centro del plasma.
Investigadores del Reino Unido iniciaron la construcción de ZETA en 1954. ZETA fue, con diferencia, el dispositivo de fusión más grande de su época. En ese momento, casi toda la investigación sobre fusión era clasificada, por lo que los avances en ZETA eran generalmente desconocidos fuera de los laboratorios que trabajaban en él. Sin embargo, investigadores estadounidenses visitaron ZETA y se dieron cuenta de que estaban a punto de ser superados. Los equipos de ambos lados del Atlántico se apresuraron a ser los primeros en completar máquinas de pellizco estabilizadas.
ZETA ganó la carrera y, en el verano de 1957, producía ráfagas de neutrones en cada carrera. A pesar de las reservas de los investigadores, sus resultados se publicaron 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 por los dispositivos de pellizco se desvaneció, aunque ZETA y su primo Sceptre sirvieron durante muchos años como dispositivos experimentales.
Se desarrolló un concepto de sistema de propulsión de fusión Z-pinch mediante la colaboración entre la NASA y empresas privadas. [1] La energía liberada por el efecto de pellizco Z 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 boquilla 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 pellizco para desarrollar el dispositivo tokamak . A diferencia de los dispositivos de pellizco estabilizados de 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 redujo las inestabilidades debidas a las grandes corrientes en el plasma y condujo 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 llamó a miembros del equipo ZETA, aún operativo, para verificar los resultados. El tokamak se convirtió en el método más estudiado para la fusión controlada.
La estabilización de flujo cortado utiliza una o más capas de plasma que fluyen anularmente a alta velocidad, rodeando un filamento de plasma, para estabilizar el filamento contra inestabilidades de torsión y pellizco. [3] [4]
En 2018, un pellizco en Z estabilizado por flujo cortante demostró la generación de neutrones. Fue construido por una empresa de fusión, Zap Energy , Inc., [5] una spin-out 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–). MI). [7] [8] El plasma estabilizado por flujo permaneció 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 pellizco de aproximadamente 200 kA durante un período de inactividad del plasma de aproximadamente 16 μs. Se estimó que el rendimiento medio de neutrones era (1,25 ± 0,45) × 10 5 neutrones/pulso. Se midieron temperaturas del plasma de 1 a 2 keV (12 a 24 millones de °C) y densidades de aproximadamente 10 17 cm −3 con radios de pellizco de 0,3 cm. [10]
Las máquinas de pellizco en Z 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.) y la Universidad de Washington. (EE.UU.), Ruhr University (Alemania), Imperial College (Reino Unido), École Polytechnique (Francia), Weizmann Institute of Science (Israel), Universidad Autónoma Metropolitana (México), NSTRI (Irán).