箍縮效應

箍縮效應（pinch effect）是指電漿電流與其自身產生的磁場相互作用，使電漿電流通道收縮、變細的效應。 大電流通過所引起的磁場時對流動電子施加的力。這種力企圖將它們推向電流軸心。如果導體是流體 (例如離子或液態金屬)，就產生了一種收縮現象，即箍縮效應。它引起的不穩定的如薄片狀的射流水會因表面張力而碎成珠狀。

流過電漿的強電流和此電流產生的磁場之間的相互作用，能引起電漿向中心區域壓縮，並使電漿密度和溫度增加，這種效應稱為箍縮效應。箍縮效應的存在使得托卡馬克裝置的磁場系統對保持電漿柱的巨觀平衡態有促進作用。箍縮效應主要有兩種形式，即角向箍縮(θ-pinch)和Z箍縮(Z-pinch)。

基本介紹

• 中文名：箍縮效應
• 外文名：pinch effect
• 隸屬：電磁學
• 特徵：電流通道收縮、變細的效應
• 套用：核聚變
• 本質：磁相互作用
• 分類：角向箍縮和Z-箍縮

概念

載流導體在其周圍空間建立磁場，並且相互平行的兩載流導線間存在著相對吸引力。不僅載流同向電流的兩導線間存在著相對吸引力，若導體是液體或電漿時，則由於離子的運動所產生的磁場可使導體產生收縮。猶如其表面受到外來向內的壓力。導體的的這種收縮稱為箍縮效應。

分類

Z—箍縮

1.原理

Z箍縮又稱Z-Pinch，就是電漿在軸向(Z方向)強大電流產生的洛侖茲力作用下，在徑向(R方向)形成的自箍縮效應。

電荷將產生沿導線徑向向心的加速度,其結果是引起電荷束流的自箍縮。當電流足夠強時,這種箍縮效應將產生巨大的電漿聚心內爆,並在軸線附近形成高溫高密度區。早期的可控熱核研究就試圖用這種方法來實現熱核反應。

Z箍縮工作原理

2.發展歷程

20世紀50年代中期，科學家們探索了利用脈衝放電箍縮電漿以實現可控熱核聚變的可能性。此後，這方面的研究工作便蓬勃開展，相應的脈衝功率技術有較大的發展，放電電流越來越大，但由於受到界面不穩定性現象的影響(香腸效應)和當時技術條件所限，未能獲得較理想的結果，並在20世紀60年代中期進入低潮。然而利用磁場壓縮電漿的研究卻從未停止過，其方向主要是強X光源的產生和高能密度物理學。

目前Z-Pinch的研究發展為快過程和慢過程兩個方向。所謂快過程，是電流脈衝寬度在幾十至300納秒範圍內的過程，主要用於強X光源的產生和套用。所謂慢過程，是電流脈衝寬度為微秒級(可達幾微秒)的過程，主要用於驅動質量較重的金屬套筒。

隨著核禁試的到來，美國把Z-Pinch研究列入了核武器庫存管理計畫(包括快過程和慢過程)，特別是從1995年以後,由於負載結構從套筒變為絲陣，X光輻射功率和產額不斷取得突破，因而在全世界範圍內引起了極大的重視。

3.能源概念研究

利用Z箍縮驅動核能源是一條有競爭力的能源技術途徑。但首先需解決如下4個技術問題：(1)高產額靶的設計，實現物理目標並要儘量降低對驅動器電流的要求；(2)驅動器的研製,要做到高重頻、大電流、快上升前沿；(3)爆室和換靶機構的研製；(4)研製性能優良的次臨界能源堆，以降低對驅動器工程技術難度的要求。

角箍縮

角箍縮又稱θ-Pinch。

直線角向箍縮裝置

角箍縮

套用

在箍縮過程中，電漿的密度和溫度都會增加，因而這種效應可用來提高電漿的密度和溫度。利用這種箍縮效應的典型例子是受控熱核聚變研究裝置套用的是角箍縮和Z箍縮。現今核能研究中也正在利用其價值，對於載流體所建立的磁場，因為導線中電子相對於導體晶格的運動會產生磁場。電漿的運動是相對於其自身的。

主要套用在核聚變，X射線和中子源，X射線雷射器，脈衝強磁場等方面。

電漿約束

極高溫是核聚變的必要條件，維持核聚變還需要一定的反應幾率而反應幾率則是靠約束。自然界的核聚變是靠引力約束維持的，在人工條件下有兩種約束，一是慣性約束，二是磁約束。慣性約束是用強雷射束或粒子束從四面八方同時照射到一個尺寸很小的聚變材料小靶上，使靶材料在極短時間內達到高溫高密度等離子狀態，而靶材料由於慣性，在一段時間內還來不及飛散，從而發生足夠多的聚變反應，達到反應釋放的能量與產生和維持高溫電漿所需要的能量相當的勞遜條件。磁約束就是利用磁場將高溫電漿約束在一定的區域內，使之達到勞遜條件。其中勞遜判據定義是聚變反應所產生的能量回收=維持熱核工況所需能量（考慮損失）。在核聚變研究的過程中，曾有過各種各樣的磁約束聚變裝置，經過幾十年的發展，有些早期的裝置已完成使命或演變為其他裝置。目前使用的裝置有仿星器、箍縮類裝置、磁鏡和托卡馬克。

箍縮裝置

能引起電漿在磁場中趨於收縮的裝置。如澤塔裝置、仿星器等。

箍縮裝置發展思路

磁約束聚變實驗裝置

從磁約束位形和裝置結構特徵上又分為環形裝置和直線裝置兩類，各自又包括若干各具特點的子類型裝置。如環形裝置中有托卡馬克型、仿星器型、反場箍縮型等。直線裝置中有磁鏡型、Z-箍縮型、緊緻環型 (幾何形狀為直線)。所有聚變實驗裝置都必須具有加熱和約束高溫電漿的功能，一般由下述部件組成：①磁體。用於產生所要求的磁場位形。視磁場強弱及其維持時間不同，可採用常規水冷磁體、低溫液氮冷卻磁體及超導磁體。常規水冷磁體是裝置的主要耗能部件，能提供6T以下磁場;液氮冷卻磁體用於強磁場緊湊型裝置，磁場強度可達14T;一些長脈衝裝置及未來聚變堆要採用超導磁體，能產生10T大小的磁場。②真空系統。電漿處於內真空室中，有物質孔闌或磁孔闌將灼熱內芯與室壁隔離。內真空室需預先抽至10Pa的高真空，且所有面向電漿的材料需經特殊處理。③加熱部件。已發展得較成熟的強功率加熱設備有：強流高能中性粒子注入線、三種頻段 (離子迴旋、電子迴旋及低混雜頻段) 的強功率波發生器及傳輸耦合系統。④電源。大型裝置常採用高功率飛輪電機及直接從大型電網取電的方案，要求總供電量達幾十萬千瓦。⑤燃料補充設備，包括噴氣系統及冷凍高速燃料小丸注入機 (丸速0.4～4 km/s)。⑥診斷測量設備及數據採集和處理系統。⑦遠距離操縱及輻射防護系統。⑧氚處理系統。最後兩類系統是氘氚燃燒實驗裝置所必需的。

研究歷史

二戰期間美英研究核聚變，美國費米（Fermi），泰勒（Teller）以及英國的湯姆遜（Thomson）等提出箍縮效應約束電漿。

美國早期聚變計畫——雪伍德（Sherword）工程中，套用磁約束聚變的途徑有仿星器、磁境和箍縮。

中國工程物理研究院提出的Z箍縮驅動聚變－裂變混合能源堆（Z-FFR）概念，採用Z箍縮熱核聚變產生的大量中子驅動次臨界裂變堆而釋放能量，集成了“局部整體點火”聚變靶、“先進次臨界能源堆”等創新概念，在安全、經濟、持久和環境友好等方面具有優良的品質，有望成為有效應對未來能源危機和環境氣候問題的千年能源。