Z脉冲功率设施

Z脉冲功率设施（Z Machine），俗称"Z机"，是全球最大的高频电磁波发生器，专为在极端温度和压力条件下测试材料而设计。自从1996年10月完成翻新，它主要被用作惯性约束聚变（ICF）研究。由桑迪亚国家实验室运营，Z机收集数据以协助核武器和最终核聚变脉冲发电厂的计算机建模。该设施位于新墨西哥州阿尔伯克基的桑迪亚主要场所。

历史背景

Z机的历史起源于美国能源部在实验室环境中复制氢弹的核聚变反应的需求，目的是更深入地理解相关物理过程。

自20世纪70年代起，美国能源部便着手研究利用核聚变反应进行发电的可能性，这包括了托卡马克装置和小型原子球的离散核聚变技术。然而，由于当时激光器的功率不足，主要的研究焦点转向了重离子聚变（HIF）。随着Q开关和锁模技术的重大突破，激光器逐渐成为了一种可行的实验工具，并在国家点火装置中达到了高峰，与此同时，重离子聚变（HIF）的研究则相对缓慢。1985年，美国国家科学院对能源部的计划进行了审查，并指出"能源危机已暂时平息"。在这一背景下，重离子聚变机器的主要任务转为了支持军事研究，以用于改进核武器。

1971年，桑迪亚国家实验室在Gerold Yonas的带领下启动了粒子束聚变研究计划。起初，该计划考虑使用电子作为聚变燃料，因为当时的脉冲功率加速器已经能够高效地将电子集中在一个小区域。但很快，研究人员发现电子无法迅速将聚变燃料加热到所需的高温。因此，研究方向从电子转移到了质子。然而，质子由于质量较轻，难以精确控制并集中到目标上，这促使项目转向了轻离子锂的研究。

随着研究重点的转移，加速器的命名也发生了变化。最初名为EBFA-I（电子束聚变加速器）的设备，不久后更名为PBFA-I，代号为“土星”。质子的加速需要一种新型加速器，即PBFA-II，随后它的名称变更为Z。这些名称的变更反映了实验室研究方向的演进和技术的发展。

Z机的物理学

Z机采用广为人知的Z-pinch原理（z箍缩技术），这项技术通过电容器快速放电至等离子体管，利用产生的洛伦兹力将等离子体向中心压缩。Bennet成功研究了Z夹点在等离子体压缩中的应用。Z机的布局是圆柱形的。它的外围装有巨大的电容器，通过马克思发生器放电，产生1微秒的高压脉冲。（马克思发生器（Marx generator）是埃尔文·奥托·马克思于1924年首次提出的一种能通过低压直流电源产生高压脉冲的电路。用于高能物理实验，并可模拟闪电对输电系统和航空设备的影响。 桑迪亚国家实验室使用一组 36 个马克思发生器在他们的Z脉冲功率设施(Z机)中生成 X 射线。）Yonas巧妙地利用了水的介电特性，通过特定的系统将放电时间缩短至原来的十分之一，从而实现了100纳秒的快速放电。这一创新不仅提升了放电效率，也使得实验条件更加接近实际需求。

尽管Yonas采用了高功率的实验方法，但由于粒子束聚焦不足，他在重离子聚变方面的尝试并未取得成功。人们早已认识到，洛伦兹力虽然在径向上作用，但电流的不稳定性以及其沿圆柱体的旋转会导致内爆管扭曲，进而影响压缩效果。

俄罗斯科学家Valentin Smirnov提出了一个创新的想法，即用线阵列来替代传统的管状结构，以此来抵消电流的方位角动力，并对抗磁流体动力学(MHD)的不稳定性。库尔恰托夫研究所建造的安加拉五号（Angara V）设施也是基于相似的目的：模拟和设计氢弹的第二阶段，同时测试高功率X射线对核导弹弹头的影响。该设施内部填充了聚苯乙烯，目的是为了使X射线的分布更加均匀。

大多数研发热核武器的国家都装备了自己的Z机来进行相关实验。一些国家，如法国格拉马的Sphinx机器，它们使用的设备具有较长的上升脉冲时间，例如800纳秒。在英国，帝国理工学院也拥有一台名为MAGPIE的实验设备，由Malcolm Haines负责操作。

桑迪亚国家实验室通过移除聚苯乙烯芯，成功获得了一根直径仅1.5毫米的精细等离子线，其中通过的电流高达1000万安培，产生的压力达到90兆帕。这一成果展示了实验室在等离子体压缩技术方面的重要进步。

未来展望

2004年，桑迪亚国家实验室宣布了一项名为ZR（即Z机翻新）的改造计划，该计划最初预算为6000万美元，后增至9000万美元，目标是将Z机的功率提升50%。2006年7月，Z机进行了升级改造，包括安装新设计的硬件组件和更强大的马克思发生器。改造中，Z机的去离子水部件体积减半，而油部件则显著扩大，以容纳更大的中间存储线（i-stores）和新的激光塔，这些新设施位于原先的水部件区域。翻新工作在2007年10月完成。升级后的Z机能够在95纳秒内产生约2600万安培的电流，而之前为1800万安培。

2006年初，经过改造的Z机成功产生了超过20亿开尔文（2 GK，即2×10^9 K）或36亿℉（约20亿摄氏度）高温的等离子体，其峰值温度甚至达到了3.7 GK（约66亿华氏度，或37亿摄氏度）。

桑迪亚国家实验室的发展规划中，包含了一个名为ZN（Z Neutron）的新型Z机，它旨在用于更高效地测试聚变动力和自动化系统。ZN项目计划采用俄罗斯的线性变压器驱动器（LTD）来替代现有的马克思发生器，预计能够每小时产生20至30兆焦耳（MJ）的氢聚变能量。经过8至10年的运行，ZN将转变为一个试验性的转化工厂，能够每100秒进行一次聚变射击。

接下来的发展规划是建立Z-IFE（Z Inertial Fusion Energy）测试设施，这将是首个真正意义上以Z-pinch驱动的原型聚变发电厂。

参考链接：

• https://zh.wikipedia.org/wiki/Z%E8%84%89%E5%86%B2%E5%8A%9F%E7%8E%87%E8%AE%BE%E6%96%BD
• https://ieeexplore.ieee.org/document/9676354
• https://pubs.aip.org/aip/pop/article/30/10/100