Zマシン

Zマシン：世界最強のX線発生装置と核融合研究

Zマシンは、アメリカ合衆国ニューメキシコ州にあるサンディア国立研究所が保有する、世界最強クラスのX線発生装置として知られる核融合実験装置です。2016年時点では世界最強のX線発生装置でもありました。Zマシンは、主流の核融合研究とは異なるアプローチとして、Zピンチと呼ばれる物理現象を利用しています。この装置は、強力なX線で物質を爆縮させることで、熱核兵器内部と同程度の極めて高温高圧の状態を作り出すことができます。この技術により、2003年には重水素燃料のみを用いた核融合反応の達成に成功しています。

Zマシンの目的と開発

Zマシンの開発は、サンディア国立研究所のパルスパワープログラムの一環として行われています。その最終目的は、慣性閉じ込め方式核融合プラントの可能性を実証することですが、核兵器の備蓄性能維持計画（Stockpile Stewardship Program）にも大きく貢献しています。特に2006年から2007年にかけての大規模な改造は、エネルギー省傘下の国家核安全保障局（NNSA）から多額の資金提供を受けました。改造後、Zマシンは臨界前核実験を補完する装置としても活用され、少量のプルトニウムを用いた実験が実施されたことで議論を呼びました。これらの実験は、2014年時点で12回実施されており、NNSAは1回の実験で使用されるプルトニウムの量は8g以下であると発表しています。

Zマシンの物理学的原理：Zピンチ

Zマシンの核心はZピンチ現象です。平行に配置した導体に電流を流すと、磁場の相互作用により導体が互いに引き合う力が発生します。Zマシンでは、多数の導線を円柱状に配置したワイヤーアレイに大電流を流すことで、導線が中心軸方向に収縮するZピンチ現象を利用します。導線はプラズマ化し、中心軸で衝突・合体して鉛筆の芯程度の太さのプラズマ線（スタグネーション）を形成します。このスタグネーションは、超高温となり強力なX線を放射します。

Zマシンが放射するX線のピーク出力は350テラワット、全エネルギーは2.7メガジュール、ピーク電流は26メガアンペアに達します。スタグネーションの温度は20億ケルビンを超えることもあります。この強力なX線は、核融合燃料ペレットを圧縮するのに使用されます。

ペレットの爆縮：直接法と間接法

Zマシンでは、X線で核融合燃料ペレットを爆縮させる方法として、直接法と間接法が用いられます。直接法では、ワイヤーアレイから直接ペレットを加熱・圧縮し、間接法では、X線でホーラムと呼ばれる中空円柱状のコンテナを加熱・膨張させ、その圧力でペレットを爆縮させます。ホーラムには、X線を効率よく吸収する高原子番号の物質が用いられます。

Zマシンの構造と構成要素

Zマシンは、36個のパルス発生モジュールを放射状に配置した、直径約33メートルの円盤状構造をしています。中心にはワイヤーアレイを収める真空チャンバーが設置されています。各パルス発生モジュールは、マルクスジェネレーター、パルス成形線（PFL）、水誘電体スイッチ、磁場絶縁伝送ラインで構成されています。マルクスジェネレーターは高電圧パルスを発生し、PFLはパルス幅を圧縮し、磁場絶縁伝送ラインはワイヤーアレイへ高電流パルスを伝送します。

Zマシンの歴史と開発

Zマシンの開発は、冷戦時代の核兵器研究から始まりました。初期は電子ビーム加速器を用いた研究が行われましたが、後にイオンビーム、そしてZピンチへと技術が進化していきました。PBFA I、PBFA IIといった前身となる装置を経て、ロシアとの共同研究によるワイヤーアレイを用いたZピンチ技術の導入が、Zマシンの開発に大きな転換点をもたらしました。1996年にPBFA IIを改造したPBFA-Zでの実験が成功し、Zマシンへと改名されました。その後、核融合反応の達成や、20億ケルビンを超える高温プラズマ生成に成功しています。

Zマシンの改造と今後の展望

2006年から2007年にかけて行われた大規模な改造により、Zマシンのピーク電流は26メガアンペアに増加しました。また、臨界前核実験を補完するプルトニウム実験も実施されています。

将来は、ZN (Z Neutron)と呼ばれるZマシンの改良版や、Zピンチを用いた核融合原型プラントZ-IFEの実験施設の開発が計画されています。これらの計画では、より高出力の核融合反応を目指し、核融合エネルギーの実用化に向けた研究開発が進められています。

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