[科普中国]-直线箍缩装置

直线箍缩装置（称为Z-pinch）是一种开端系统的聚变装置。就是在柱形放电管中通过强大的电流，来使其中的等离子体产生箍缩效应而受到压缩和加热，以形成高密度的灼热等离子体。这种产生高温等离子体的装置结构简单，但有很多缺点：放电管两端的放电电极会带走等离子体的能量，还会产生杂质污染等离子体。1

简介直线箍缩装置（称为Z-pinch）是一种开端系统的聚变装置。就是在柱形放电管中通过强大的电流，来使其中的等离子体产生箍缩效应而受到压缩和加热，以形成高密度的灼热等离子体。这种产生高温等离子体的装置结构简单，但有很多缺点：放电管两端的放电电极会带走等离子体的能量，还会产生杂质污染等离子体。1

聚变装置种类繁多，一般最常用的是按照磁场位形的特点进行分类。根根这种方法可以将聚变装置分为开端系统和闭合系统两大类。开端系统的特点是自身的磁力线通向等离子体容器之外，并不闭合。这类装置的最大缺点是部分等离子体粒子会通过终端损失掉。属于这类装置的有磁镜装置，会切装置，直线箍缩装置等。闭合系统的最大特点是磁力线在装置内自身闭合，因此并不存在终端损失问题。属于这类装置的主要有托卡马克装置，仿星器以及环形箍缩装置。2

箍缩效应电流总是和磁场联系的，所以在通常所说的“箍缩效应’’中就是用通过等离子体的电流产生的磁场来压缩、约束、加热等离子体。早在1950年，美、英、苏三国几乎同时地并自开始了箍缩系统的实验。由于存在不稳定性，现在看来单独使用箍缩系统约束等离子体是没有希望的。但箍缩系统的研究还是提供了一些与等离子体稳定性有关的有用资料，况且当它加到其它某一个磁约束几何形状上时，终究可以证明它是有用的。

假设气体装在环形容器中，从外界导致强电流放电（如图1a所示），那么电流产生磁场，其磁力线包围传导电流的等离子体，而且磁场的压力压缩（或箍缩）着等离子体，敛使电流在靠近管中心的一个狭窄环中流动（如图1b）。在这种方式下，不仅使等离子体保持离开管壁，而且通过本身电流及其产生的磁场压缩来加热等离子体。

图1中：

(a)表示刚开始放电情况；

(b)箍缩完全形成，黑环表示有感应电流的等离子体，小圆环表示感应电流产生的磁场，它压缩（或箍缩）并约束等离予体。

为了在氘或氘—氚混合物中发生核聚变，必须要有高温度、高密度的等离子体，而箍缩效应对于产生并约束高温度、高密度等离子体来说，似乎是简单可行的方法。但不久就会明白，被约束的等离子体是极不稳定的，不能维持到百万分之一秒。即使温度足够高，对于产生有效的聚变能来说这个时间也太短。3

箍缩不稳定性在箍缩等离子体中会发生各种各样的磁流体力学不稳定性，但其中有两种是共同的。

假设有一个小的弯曲（或扭曲）在等离子体内产生，如图2所示，那么可以看到，环绕等离子体的磁力线在下面（里面）的比在上面（外面）的靠得紧一些，也即下面的磁场较上面的强，这就产生一个磁强差，使得弯曲更大，如此连续下去，造成等离子体这样严重的变形。以致碰到容器壁或者完全离散。这是第一种类型。

磁流体力学的不稳定性的第二种类型，是在等离子体中形成一个小的收缩（如图3所示），在收缩处的磁力比别处强，这就导致等离子体更加收缩，从而在一个很短的时间内等离子体变得如此的狭窄，以致断开。

理论研究表明，通过在等离子体里加一个轴向捕获磁场，也就是它的磁力线平行于等离子体轴，这样可以稳定箍缩等离子体。基本想法是让磁力线起一个类似加强肋的作用，使等离子体难于弯曲和收缩。用电流通过封闭管外面的线圈，使得在电流放电经过之前产生一个弱的轴向磁场，当发生箍缩放电时是如此迅速地压缩等离子体，以致把这个轴向磁场俘获在等离子体里。这过程显然增加了箍缩的稳定性，但也带来一些缺点，如包含在等离子体内的轴向稳定磁场有对抗箍缩作用，这样就限制了压缩和约束。

不管怎么样，箍缩等离子体还存在其它的不稳定性，而这些不稳定性不受轴向稳定磁场的影响。为了全面地了解它们，希望发展一种能在有意义的时间内加热并约束等离子体的方法。在美、英、法、西德、荷兰、瑞典、日本和苏联等国正在进行箍缩效应的研究工作。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学