Magnetized Liner Inertial Fusion
Andy Castillo
February 15, 2022
Submitted as coursework for PH241, Stanford University, Winter 2022

使用 Z-Pinch 進行融合

圖 1：實驗中的 Z 機器（由 DOE 提供。來源：Wikimedia Commons。）
磁化襯裡慣性聚變 (MagLIF) 使用脈衝驅動的加速器通過襯裡發送電脈衝，襯裡是容納聚變燃料的圓柱形外殼。[1] 當電流沿著襯裡流動時，它會感應出方位角磁場，並且電流和場的共同存在產生了向內定向的洛倫茲力（稱為 Z 夾）。如果 Z 夾足夠大，襯裡會內爆，將內部的燃料壓縮到足夠大的溫度和壓力，使聚變反應可以然而，為了產生足夠的聚變反應以超過投入到襯里中的能量，燃料必須在電脈沖之後被加熱並限制相當長的時間。[1] 憑藉目前脈衝功率加速器的能力，以 70 km/s 左右的速度內爆襯管，僅 Z 夾點不足以產生相當大的聚變反應。 [2]

在慣性約束聚變 (ICF) 中也發現了引導能量內爆燃料膠囊的概念，其中激光用於加熱和內爆球形膠囊。當內爆速度大於 300 公里/秒時，這種方法在產生[2] 因此，為了被認為是一種潛在的能源方法，MagLIF 結合了兩個額外的組件。首先，外部線圈用於將軸向磁場施加到襯裡。[2] 此外，MagLIF 結合了自己的激光，可以預- 內爆過程開始後立即加熱燃料。[2] 通過這些和進一步的改進，MagLIF 旨在成為聚變能源生產方面的一項值得注意的努力。

Z機器上的實驗
如圖 1 所示，Z 機器是位於桑迪亞國家實驗室的脈衝電源設備，被稱為世界上最大的 X 射線發生器，主要用於創建和研究與庫存管理計劃相關的環境。 [3] 然而，該設施也被用於通過 2010 年代的一系列實驗來研究 MagLIF。[3] 2013 年的第一個主要實驗由峰值電流為 18 MA 的電脈衝組成，類似亥姆霍茲的線圈施加強度為 10 T 的軸向磁場和 TW 級倍頻 Nd：玻璃激光器，將 0.5 kJ 的預熱能量沉積到襯裡。[3] 該實驗能夠達到足夠大的溫度並限制產生 2 × 1012 中子，其中每個初級聚變反應產生一個中子。[2] 考慮到國家點火設施的 ICF 實驗產生高達 1.9 × 1016 中子，Z 機器的結果可能看起來並不有利。 [4] 然而，2013 年的實驗成功地展示了磁慣性聚變概念產生的最大溫度值和中子產量 MagLIF 的可擴展性、機會和局限性。

Z 機器上的實驗重點是增加增益，這是產生的聚變能量與傳遞到襯裡的能量之比。雖然使用較大電流電脈衝、施加磁場和預熱激光能量的實驗產生了改進的結果，但某些限制需要解決的因素。首先，增加內爆過程的功率會加劇 Magneto Rayleigh-Taylor 不穩定性，這是一種在 ICF 中發生的非磁性模擬現象。[3] 這種不穩定性會在襯里中形成低壓區域，從而導致更短的限制時間，並且，儘管繼續進行調查和緩解嘗試，但它繼續阻礙實驗的性能。[3] 此外，預熱激光會導致襯里和襯裡上的材料與燃料混合併污染燃料，從而增加輻射損失。 [3] 然而，將激光的貢獻分成兩個脈衝的共注入方法已證明可以減少這種污染。一個重要的限制是使用外部類亥姆霍茲線圈所施加磁場的強度和均勻性，其中載流傳輸線的電感會影響線圈。 [3] 為了提高能力，正在考慮使用自動磁化襯墊，它將導體以螺旋形式纏繞在絕緣層內的襯裡上。通過該層，可以使用初始電脈衝來感應具有更大強度的軸向磁場。

像大多數聚變能源努力一樣，MagLIF 實驗一直在進行改進和增加規模，以試圖超越科學突破，這是一個大於 1 的增益。但是，如果要將此概念視為一種經濟能源，它還必須達到工程突破。這一突破意味著產生的聚變能量足夠大，足以滿足發電廠的電力需求、實驗所需的能量以及將產量轉化為可用電力的損失。[3]假設的 MagLIF 工廠將需要至少 50 的增益。[3] 雖然這個目標似乎無法實現，但基於 Z 機器實驗的 1D 和 2D 模擬顯示了使用前瞻性脈衝電力設施 Z300 和 Z800 設計的有希望的結果。[5 ] 考慮到 Z800 的設計峰值電流為 65 MA，在襯里中加入額外的氘氚冰層的模擬顯示結果機智h 增益高達 70。 [5] 儘管在實現工程突破之後會遇到許多障礙，例如將電脈衝的頻率提高到每天一個以上，捕獲聚變能量產量並將其轉化為電能，但MagLIF 實現如此高增益的可能性為聚變能研究提供了一個值得注意的機會。 [3]

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參考
[1] S. A. Slutz 等人，“用軸向場磁化的激光預熱燃料的脈衝功率驅動圓柱內爆”，Phys. Plasmas 17, 056303 (2010)。

[2] M. R. Gomez 等人，“磁化線性慣性聚變中聚變相關條件的實驗演示”，Phys. Rev. Lett. 113, 155003 (2014)。

[3] D. Yager-Elorriaga 等人，“Sandia 國家實驗室 Z 機器上的磁慣性聚變概述”，Nucl. Fusion 62, 042015 (2021)。

[4] S. Le Pape 等人，“聚變能量輸出大於國家點火設施內爆殼的動能”，Phys. Rev. Lett. 120, 245003 (2018)。

[5] S. A. Slutz 等人，“在 Z 和未來脈衝功率加速器上縮放磁化線性慣性聚變”，Phys. Plasmas 23, 022702 (2016)。