Loading article…
Zパルスパワー施設（非公式にはZマシンまたは単にZとして知られる）[ 1 ]は、ニューメキシコ州アルバカーキにあるサンディア国立研究所が運営する世界最大の高周波電磁波発生装置である。
この施設は主に慣性閉じ込め核融合（ICF）研究施設として、磁化ライナー慣性核融合（MagLIF）方式を含む研究や、極限温度・圧力条件下での材料試験に利用されてきた。特に、核兵器や将来的な核融合パルス発電所のコンピュータモデリングを支援するためのデータ収集を行っている。
Zマシンの起源は、エネルギー省（DoE）が核融合爆弾の核融合反応を実験室環境で再現し、関連する物理現象をより深く理解する必要があったことに遡る。1970年代以降、DoEは核融合反応から発電する方法についても研究を進めてきた。
サンディア国立研究所での最初の研究は、ゲロルド・ヨナス[ 2 ] [ 3 ]が率いる粒子ビーム核融合プログラムで、1971 年に開始されました[ 4 ]。このプログラムは、荷電粒子のビームで燃料を圧縮して核融合を起こそうとしました。当時パルスパワー加速器がすでに小さな領域に高出力で電子を集中させていたため、最初に考えられた粒子は電子でした。しかし、その後すぐに、電子では目的のために核融合燃料を十分に速く加熱できないことが分かりました。そこで、プログラムは電子から陽子へと方向転換しました。陽子は軽すぎてターゲットに集中させるのに十分な制御ができないことが判明し、プログラムは軽イオンであるリチウムへと移行しました。加速器の名前は重点の変化を反映しています。最初は EBFA-I (電子ビーム核融合加速器) という名前でしたが、その後すぐに PBFA-I となり、サターンとなりました。陽子には別の加速器 PBFA-II が必要で、これは Z となりました。
1978年11月号のサイエンティフィック・アメリカン誌には、ヨナスの最初の一般向け記事「粒子ビームによる核融合発電」が掲載された。[ 5 ]
1985年にPBFA-IIが創設された。[ 6 ] [ 7 ]サンディア国立研究所は、国立アカデミーの報告書にもかかわらず、重イオン核融合をゆっくりとしたペースで追求し続けた。
一方、サンディア国立研究所では、防衛関連の研究も継続されており、ヘルメスIII型装置と、PBFA-Iを改良したサターン（1987年）が使用されていた。サターンはPBFA-IIよりも総出力は低かったものの、高電圧・大電流に関するサンディアの知識を進歩させたため、Z型装置の有用な前身となった。
また、1996年にはPBFA-IIマシンが再びアップグレードされ[ 8 ]、PBFA-Z [ 9 ]または単に「Zマシン」となり、1998年8月にサイエンティフィック・アメリカン誌で初めて一般に紹介された[ 10 ]。
Zマシンは、よく知られたZピンチの原理を利用して、高温で短寿命のプラズマを生成する。このプラズマは、X線源として、熱核兵器内部の代替物として、あるいは核融合発電所の炉心の代替物として利用できる。
Zピンチでは、プラズマ柱に電流を高速で放電すると、結果として生じるローレンツ力によってプラズマ柱が軸方向に圧縮され、加熱されます。ウィラード・ハリソン・ベネットは、プラズマ圧縮へのZピンチの応用について研究に成功しました。Zマシンは円筒形です。外側には、 1マイクロ秒の高電圧パルスを生成するマルクス発生器を通して放電する巨大なコンデンサが配置されています。このパルスは10分の1に圧縮され、100ナノ秒の放電が可能になります。
Zマシンを用いた実験のほとんどは、ガスで満たされた導電性チューブ（ライナーと呼ばれる）を通して電流放電を行う。この方法は、磁化ライナー慣性核融合、またはMagLIFとして知られている。MagLIF Zピンチの圧縮は、電流の流れが非常に不安定で、シリンダーに沿って回転するため、爆縮するチューブがねじれ、圧縮の質が低下するという制約がある。
Zマシンは、ライナーの代わりにタングステンワイヤーのアレイを用いた実験も行ってきた。ワイヤーアレイ内部の空間はポリスチレンで満たされており、これによりX線束の均一化が図られている。ポリスチレンのコアを取り除くことで、サンディア国立研究所は、1.5mmの細い プラズマコードを得ることができ、その中に90メガバールの圧力で1000万アンペアの電流が流れた。
サンディアのZマシン[ 11 ]の主な特徴は、1800万アンペアの電流と100ナノ秒未満の放電時間です。この電流放電は当初、タングステンワイヤのアレイを通して行われました。[ 12 ] 1999年、サンディアは入れ子状のワイヤアレイのアイデアをテストしました。[ 13 ]最初のアレイと位相がずれた2番目のアレイは、レイリー・テイラー不安定性を補償します。2001年、サンディアは圧縮ペレットをより良く画像化するためのツールとして、Zビームレットレーザー（国立点火施設の余剰機器から）を導入しました。 [ 14 ] これにより、Zマシンで圧縮されたペレットの形状の均一性が確認されました。
1999年、サンディア国立研究所は、核融合エネルギーの利用における実際的な困難を解決することを目的としたZ慣性核融合エネルギー（Z-IFE）プロジェクト[ 15 ]を開始しました。主な問題には、1回のZピンチショットでエネルギーを生成すること、および各ショット後に原子炉を迅速に再装填することが含まれていました。初期の推定では、10秒ごとに燃料カプセルを爆縮することで、300MW の核融合エネルギーを経済的に生成できるとされていました。
サンディア国立研究所は2003年4月7日にZマシンで少量の重水素の核融合に成功したと発表した。 [ 16 ]
ZマシンはX線発生装置として使用されるだけでなく、小さなプレートを秒速34キロメートルで推進しました。これは地球が太陽の周りを公転する秒速30キロメートルよりも速く、地球の脱出速度の4倍（海面では3倍）です。[ 17 ]また、水を7万～12万気圧（7～12 GPa ）の圧力まで急速に圧縮することで、氷VIIとして知られる特殊な超高密度「ホットアイス」を生成することにも成功しました。[ 18 ] Zマシンで加速された発射体の衝突による機械的衝撃は、ダイヤモンドを溶かすことができます。[ 19 ]
この期間中に、生成されるX線の出力は10TWから300TWに跳ね上がった 。[ 20 ]核融合ブレークイーブンの次のマイルストーンをターゲットにするためには、その後、さらなるアップグレードが必要となった。 [ 21 ]
6,000万ドル（後に9,000万ドルに増額）の改修プログラムであるZR（Z Refurbished）が2004年に発表され、出力を50%増加させることになった。Zマシンは、新設計のハードウェアとコンポーネント、より強力なマルクス発生器の設置を含むこのアップグレードのために、2006年7月に解体された。マシンの脱イオン水セクションは以前の約半分のサイズに縮小され、オイルセクションは、より大きな中間貯蔵ライン（i-store）と、以前は水セクションに設置されていた新しいレーザータワーを収容するために大幅に拡張された。改修は2007年10月に完了した。[ 22 ]新しいZマシンは、95ナノ秒で約2,600万アンペア[ 23 ] （以前は1,800万アンペア）を照射できるようになった。放射電力は350テラワットに、X線エネルギー出力は2.7メガジュールに増加した。 2006年には、ワイヤーアレイ実験で26億6000万～37億ケルビンの超高温が達成された。[ 24 ]
サンディアの将来計画には、核融合発電と自動化システムの高収率をテストするためのZマシンの別のバージョンであるZN（Zニュートロン）が含まれています。ZNは、現在のマルクス発生器をロシアのリニアトランスフォーマードライバー （LTD）に置き換えて、1時間に1ショットで20～30MJの水素核融合電力を供給するように計画されています。[ 25 ] 8～10年の運用後、ZNは100秒ごとに核融合ショットを実行できる核変換パイロットプラントになります。[ 26 ]
次に計画されているステップは、Z慣性核融合エネルギー（Z-IFE）試験施設であり、これは初の真のZピンチ駆動プロトタイプ核融合発電所となる。LTDを使用したサンディアの最新設計を統合することが提案されている。サンディア研究所は最近、1ペタワット（10 15 W）のLTD Zピンチ発電所の概念案を提案しており、そこでは放電電流が7000万アンペアに達する。[ 27 ] 2012年現在、6000万～7000万アンペアでの核融合ショットシミュレーションでは、入力エネルギーの100～1000倍のリターンが示されている。Zマシンの現在の設計最大値である2600万～2700万アンペアでのテストは2013年に開始される予定だった。[ 28 ] [ 29 ]
2023年、Zマシンは惑星防衛の一環として、模擬小惑星物質に対するX線の影響を研究するために使用された。この実験は、地球に衝突する軌道にあることが判明した小惑星の軌道を変えるために核兵器のX線を使用することの実現可能性を評価するために行われた。[ 30 ]
2010年、サンディア国立研究所は、学術機関、国立研究所、民間企業の研究者にZマシンとその診断装置へのアクセスを提供するために、Z基礎科学プログラム（ZFS）を設立しました。Zマシンの年間総ショット数の最大10%は、このプログラムを通じて毎年行われる公募により割り当てられ、これは年間約10回の外部ユーザーショットに相当します。[ 31 ]
ニューメキシコ州アルバカーキで毎年開催されるワークショップでは、ZFSプログラムを通じて実験を行っているチームが集まり、研究成果や進捗状況をユーザーコミュニティに報告します。[ 32 ]
現在までに、ユーザーは高エネルギー密度物理学、実験室天体物理学、惑星科学、物質の動的圧縮、磁気リコネクション、無衝突衝撃波の進化、磁化ジェットの形成を含む磁気流体力学（MHD）に関する実験を行ってきた。[ 33 ]
北緯35度02分08秒、西経106度32分33秒/北緯35.035451度、西経106.542522度/北緯35.035451度、西経106.542522度