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核融合発電の研究において、Zピンチ（ゼータピンチ）は、プラズマに電流を流して磁場を発生させ、プラズマを圧縮するプラズマ閉じ込めシステムの一種です（ピンチを参照）。これらのシステムは当初、単にピンチまたはベネットピンチ（ウィラード・ハリソン・ベネットにちなんで）と呼ばれていましたが、 θピンチ（シータピンチ）の概念の導入により、より明確で正確な用語が必要となりました。
この名称は、装置内の電流の方向、すなわち直交座標系におけるZ軸に由来する。この方向に電流が流れることでピンチ効果が生じる装置はすべて、正しくはZピンチシステムと呼ばれ、これは多種多様な用途に使用される多種多様な装置を包含する。初期の用途は、ドーナツ型のチューブ内でZ軸がチューブの内側に沿って走る核融合研究に重点が置かれていたが、現代の装置は一般的に円筒形で、核兵器の研究やその他の用途のために高強度のX線源を生成するのに使用されている。これは、ステラレータや磁気ミラーと並んで、核融合発電装置への最初のアプローチの1つである。
Zピンチはローレンツ力の応用例であり、磁場中の電流が流れる導体は力を受けます。ローレンツ力の一例として、2本の平行な導線に同じ方向に電流が流れると、導線同士が引き寄せられる現象が挙げられます。Zピンチ装置では、導線の代わりにプラズマが用いられます。プラズマは、多数の電流が流れる導線と考えることができます。プラズマに電流を流すと、プラズマ中の粒子はローレンツ力によって互いに引き寄せられ、プラズマは収縮します。この収縮は、プラズマ内のガス圧の上昇によって相殺されます。
プラズマは電気伝導性を持つため、近くの磁場によって電流が誘導されます。これにより、物理的な接触なしにプラズマに電流を流すことが可能になり、プラズマが機械電極を急速に侵食する可能性があるため、これは重要です。実際の装置では、通常、プラズマ容器を変圧器のコア内に配置することで、プラズマ自体が二次側となるように構成されていました。変圧器の一次側に電流が流れると、磁場によってプラズマに電流が誘導されます。誘導には変化する磁場が必要であり、ほとんどの原子炉設計では誘導電流は一方向に流れることが想定されているため、変化する磁場を生成するには、変圧器の電流を時間とともに増加させる必要があります。これは、任意の電源に対して、閉じ込め時間と磁場の積に制限を設けることになります。
Zピンチ装置では、電流は通常、大型コンデンサバンクから供給され、マルクスバンクまたはマルクス発生器として知られるスパークギャップによってトリガーされます。プラズマの導電率は銅と同程度とかなり高いため、電源に蓄えられたエネルギーはプラズマを通過することで急速に消費されます。Zピンチ装置は本質的にパルス状です。
ピンチ装置は、核融合発電における初期の取り組みの一つでした。研究は戦後間もない時期に英国で始まりましたが、関心の低さから1950年代までほとんど進展がありませんでした。 1951年初頭にヒュームル計画が発表されたことで、世界中で核融合研究が進められ、特に英国と米国で活発化しました（ロスアラモス国立研究所のzピンチ装置であるパーハッパサトロンを参照）。様々な実際的な問題に対処するため、研究所で小規模な実験装置が作られましたが、これらの装置はすべて、プラズマが容器の壁に衝突する予期せぬ不安定性を示しました。この問題は「キンク不安定性」として知られるようになりました。
1953年までに、「安定化ピンチ」は、それまでの装置で発生していた問題を解決したように見えた。安定化ピンチ装置は、チャンバー内にトロイダル磁場を生成する外部磁石を追加した。装置が作動すると、この磁場はプラズマ中の電流によって生成される磁場に加算される。その結果、以前は直線だった磁場はらせん状にねじれ、粒子は電流によって駆動されるチューブ内を移動する際にこのらせん状の磁場に沿って移動する。チューブの外側付近で外側に曲がろうとする粒子は、チューブの内側に戻るまでこのらせん状の線に沿って移動し、そこで外向きの動きによってプラズマの中心に戻る。
英国の研究者たちは1954年にZETAの建設を開始した。ZETAは当時としては群を抜いて最大の核融合装置だった。当時、核融合研究はほぼ全て機密扱いだったため、ZETAの進捗状況は、研究に携わる研究所以外にはほとんど知られていなかった。しかし、米国の研究者たちがZETAを視察し、自分たちが追い抜かれようとしていることに気づいた。大西洋の両岸のチームは、安定化されたピンチマシンを最初に完成させようと競い合った。
ZETAは競争に勝利し、1957年の夏までには、毎回の運転で中性子バーストを発生させるようになった。研究者たちの懸念にもかかわらず、その結果は商業用核融合エネルギーへの第一歩として大々的に発表された。しかし、その後の研究で、測定値は誤解を招くものであり、どの装置も核融合レベルには達していないことがすぐに明らかになった。ピンチ装置への関心は薄れていったが、ZETAとその姉妹機であるSceptreは、その後長年にわたり実験装置として利用された。
Zピンチ核融合推進システムの概念は、NASAと民間企業との協力によって開発されました。[ 1 ] Zピンチ効果によって放出されるエネルギーは、リチウム推進剤を高速に加速し、比推力19400秒、推力38kNをもたらします 。放出されたエネルギーを有効な推力に変換するには、磁気ノズルが必要です。この推進方式は、惑星間移動時間を短縮できる可能性があります。例えば、火星へのミッションは、片道約35日、総燃焼時間20日、燃焼推進剤質量350トンで済みます。[ 2 ]
長年あまり知られていなかったものの、ソ連の科学者たちはピンチコンセプトを用いてトカマク装置を開発した。米国や英国の安定化ピンチ装置とは異なり、トカマクは安定化磁石に多くのエネルギーを投入し、プラズマ電流にははるかに少ないエネルギーしか使用しなかった。これにより、プラズマ中の大電流による不安定性が軽減され、安定性が大幅に向上した。その成果はあまりにも劇的だったため、1968年に初めて発表された際には、他の研究者たちは懐疑的だった。当時まだ稼働していたZETAチームのメンバーが招集され、結果の検証が行われた。トカマクは、制御核融合において最も研究された手法となった。
せん断流安定化は、プラズマフィラメントを囲む1つ以上の高速環状プラズマ層を使用して、フィラメントのキンクやピンチ不安定性を安定化します。[ 3 ] [ 4 ]
2018年、せん断流安定化Zピンチが中性子生成を実証した。これは、ワシントン大学のスピンオフ企業であるZap Energy, Inc. [ 5 ] [ 6 ]が構築し、戦略的および金融投資家と高等研究計画局エネルギー（ARPA-E）からの助成金によって資金提供された。[ 7 ] [ 8 ]流れ安定化プラズマは、静止プラズマよりも5,000倍長く安定していた。[ 9 ]圧力で20%の重水素と80%の水素の混合物は、約16μsのプラズマ静止期間中に約200kAのピンチ電流で約5μsの持続する中性子放出を生成した。平均中性子収量は、(1.25±0.45)×10 5 中性子/パルスと推定された。プラズマ温度は1～2 keV（12～24百万℃）、密度は約10 17 cm −3 、ピンチ半径は0.3 cmと測定された。[ 10 ]
2026年現在少なくとも 2 社が、重水素-三重水素反応を燃料とする磁気慣性 Z ピンチ核融合炉の開発に取り組んでおり、いずれも米国に拠点を置いている。1 つは、カリフォルニア大学アーバイン校のスピンオフとして 2008 年に設立され、現在はUS Nuclear Corpの一部門となっているMagneto Inertial Fusion Technology Inc. (MIFTI) [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]、もう 1 つは、ワシントン大学のスピンオフとして 2017 年に設立されたZap Energyである。[ 5 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
Zピンチ マシンは、ネバダ大学リノ校(米国)、コーネル大学(米国)、ミシガン大学(米国)、サンディア国立研究所(米国)、カリフォルニア大学サンディエゴ校 (米国)、ワシントン大学(米国)、ルール大学(ドイツ)、インペリアル カレッジ(英国) 、エコール ポリテクニック(フランス)、ワイツマン科学研究所(イスラエル)、オートノマ大学にあります。メトロポリターナ（メキシコ）、GLAST（パキスタン）。