Z-Maschine

Z ist eine Gepulste Energieanlage oder Pulsenergieanlage. Die Anfänge dieser Experimentalanlagen geht bis in die 1950er Jahre und dortigen Forschungsaktivitäten zurück. Erste theoretische Überlegungen zu magnetischen Einschlüssen stammen aus den 1930er Jahren.^[3][4]

Frühere Maschinen oder experimentelle Aufbauten waren Columbus-II, Columbus S-2, oder das Perhapsatron S-5 am Los Alamos National Laboratory (LANL).^[5] Es gab auch Experimente zur "Einschnürung" in Großbritannien (Harwell) oder anderen Ländern, z. B. Russland, China^[6] oder Frankreich^[7].

Die Anlage Z ging etwa 1996 in Betrieb.^[8] Z ist eine von vielen Pulsenergieanlagen am SNL.^[9]

Mit der Z-Maschine werden verschiedene Teilbereiche der Physik erforscht. Es wird beispielsweise an Themen der Astrophysik^[10], Plasmaphysik, Zustandsgleichungen, oder Kernfusion geforscht.^[11]

Z kann als Energiequelle für Trägheitsfusion genutzt werden.^[12][13] Die Anlage ist eine der leistungsstärksten, künstliche Röntgenquellen^[14]; diese Eigenschaft wird ebenfalls für Versuche genutzt.

Z dient ursprünglich zu Testzwecken für die nationale Sicherheit der USA. Genauer können mit Z elektronische Komponenten von Kernwaffen o. a. Geräten getestet werden, um sicherzustellen, dass diese nicht durch benachbarte Kernexplosionen gestört werden (vgl. Elektromagnetischer Impuls und andere Störeffekte).^[5]

Einer der leitenden Wissenschaftler ist Thomas W. L. Sanford.

Die Z-Maschine ist ein rundes Gefäß mit einem Durchmesser von 33 m und einer Höhe von 6 m mit 36 Marxgeneratoren und radial angeordneten Pulsformungsnetzwerk (PFN). In der Mitte des Gefäßes, das zur Isolierung mit deionisiertem Wasser gefüllt ist, befindet sich eine Vakuumkammer mit 3 m Durchmesser. In dieser befindet sich die sogenannte Z-Pinch, eine zylindrische Anordnung aus 300 in Z-Richtung verlaufenden, parallelen Wolframdrähten in der Form eines Zylinders mit einer Höhe von ca. 20 cm. Die Wolframdrähte haben einen Durchmesser von 10 µm, etwa 1/7 der Dicke eines menschlichen Haares. Im Zentrum dieses Drahtzylinders sind verschiedene Experimente platziert, zum Beispiel eine Fusionskapsel, ein dünner Metallzylinder mit einem Gemisch aus Deuterium und Tritium. Damit die Atomkerne fusionieren können, muss die Kapsel auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe komprimiert und außerordentlich hoch erhitzt werden. Durch Bremsstrahlung entsteht bei der Draht-Implosion sehr intensive Röntgenstrahlung.

Während einer Zeit von weniger als 100 Nanosekunden fließt ein elektrischer Strom von 26 MA (Millionen Ampere) gleichzeitig durch die feinen Wolframdrähte im Zentrum. Sie verdampfen dadurch schlagartig und verwandeln sich in ein heißes Plasma. Der Stromfluss erzeugt sodann ein starkes Magnetfeld in dem (elektrisch leitenden) Plasma, welches radial zur senkrechten Achse stark komprimiert und erhitzt wird (sogenannter Pinch-Effekt). Dadurch wiederum erhitzt das Plasma das Wandmaterial des Proben-Zylinders in dessen Innerem auf eine Temperatur von bis zu einigen Milliarden Kelvin. Der Zylinder sendet einen intensiven Röntgenpuls aus mit einer Spitzenleistung von 290 TW. Die Fusionskapsel wird auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe zusammengepresst und dabei stark aufgeheizt. Für wenige Nanosekunden tritt hier die ca. 80fache Leistung aller Kraftwerke der Erde auf.

Die elektrische Energie von Z wird durch Marx-Generatoren bereitgestellt. Es ist ca. 1 Schuss pro Tag möglich. Zur Diagnose und für weitere Versuche können Laserstrahlen verschiedener Laser zum Target geführt werden.

2003 gelang es den Wissenschaftlern, durch den Röntgenpuls von 120 TW die Fusionskapsel auf ein Sechstel ihres ursprünglichen Durchmessers zu komprimieren. Die Dichte der Deuteriumkerne stieg dabei auf das Zweihundertfache. Unter diesen Bedingungen werden zwei Kerne der schweren und überschweren Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium so dicht zusammengebracht, dass sie zu einem Heliumkern verschmelzen. Die Forscher schätzen, dass ihre Fusion eine Energie von etwa 4 mJ freisetzte.

2006 wurde bekanntgegeben, dass ein Plasma mit einer Temperatur von über 2 Milliarden Kelvin erzeugt werden konnte, eine Temperatur, die höher ist als die im Inneren von Sternen (im Kern der Sonne werden beispielsweise lediglich ca. 15 Millionen Kelvin erreicht). Zudem war die Energie der abgegebenen Röntgenstrahlung viermal so groß, wie es bei der zugeführten Menge kinetischer Energie zu erwarten gewesen wäre. Diese Ergebnisse konnten bisher zwar über einen Zeitraum von 14 Monaten mehrfach experimentell bestätigt, jedoch noch nicht vollständig erklärt werden.^[15]

Von 2007 bis 2009 wurde die Z-Maschine zur „ZR-Maschine“ überarbeitet. Die neu installierte Hardware, v. a. stärkere Marxgeneratoren, erlaubt Ströme von bis zu 26 MA, statt zuvor 18 MA, und Anstiegszeiten innerhalb von 95 ns. Die Strahlungsleistung wurde auf 350 TW erhöht und Energieabgabe in Form von Röntgenstrahlung auf 2,7 MJ.^[16]

Unter den im Jahre 2018 durchgeführten 152 Entladungen waren 32 Strahlungsexperimente, 54 Materialuntersuchungen und 49 Fusionsexperimente.^[17]

• Samuel Glasstone, Ralph H. Lovberg: Controlled Thermonuclear Reactions. Robert E. Krieger Publishing Company, New York 1975 (englisch, archive.org – Originaltitel: Id. 1960.). — Chapter 7: The Pinch Effect
• D. D. Ryutov, M. S. Derzon, M. K. Matzen: The physics of fast Z pinches. In: Reviews of Modern Physics. Band 72, Nr. 1, 1. Januar 2000, S. 167–223, doi:10.1103/RevModPhys.72.167 (englisch).
• James R. Asay, Marcus D. Knudson: Use of Pulsed Magnetic Fields for Quasi-Isentropic Compression Experiments. In: Lalit C. Chhabildas, Lee Davison, Yasuyuki Horie (Hrsg.): High-Pressure Shock Compression of Solids VIII (= High-Pressure Shock Compression of Condensed Matter). Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-22866-0, S. 329–380, doi:10.1007/3-540-27168-6_10 (englisch).
• Andrew Porwitzky: Z for Beginners. (englisch, sandia.gov [PDF]).

• Z Pulsed Power Facility (Offizielle Website). SNL, abgerufen am 19. Juli 2025 (englisch).