Under de nio decennier som gått sedan människan först producerade fusionsreaktioner, har endast ett fåtal fusionstekniker visat förmågan att göra en termisk fusionsplasma med elektrontemperaturer som är varmare än 10 miljoner grader Celsius, ungefär temperaturen i solens kärna. Zap Energys unika tillvägagångssätt, känd som en klippt flödesstabiliserad Z-nypa, har nu anslutit sig till dessa sällsynta led, och har vida överskridit denna plasmatemperaturmilstolpe i en enhet som är en bråkdel av skalan hos andra fusionssystem.
En ny forskningsartikel, publicerad i Physical Review Letters, detaljerade mätningar gjorda på Zap Energys Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) av 1–3 keV plasmaelektrontemperaturer – ungefär motsvarande 11 till 37 miljoner grader Celsius (20 till 66 miljoner grader Fahrenheit).
På grund av elektronernas förmåga att snabbt kyla ett plasma är denna bedrift ett viktigt hinder för fusionssystem och FuZE är den enklaste, minsta och billigaste enheten som har uppnått det. Zaps teknologi erbjuder potentialen för en mycket kortare och mer praktisk väg till en kommersiell produkt som kan producera rikligt, on-demand, kolfri energi till världen.
"Dessa är noggranna, otvetydiga mätningar, men ändå gjorda på en enhet av otroligt blygsam skala enligt traditionella fusionsstandarder", beskriver Ben Levitt, VP of R&D på Zap. "Vi har fortfarande mycket arbete framför oss, men vår prestation hittills har avancerat till en punkt att vi nu kan stå axel vid axel med några av världens framstående fusionsenheter, men med stor effektivitet, och vid en bråkdel av komplexiteten och kostnaden."
"Under många decennier av kontrollerad fusionsforskning har bara en handfull fusionskoncept nått 1-keV elektrontemperatur", konstaterar Scott Hsu Lead Fusion Coordinator vid DOE och tidigare ARPA-E Program Director. "Vad detta team har uppnått här är anmärkningsvärt och förstärker ARPA-E:s ansträngningar att påskynda utvecklingen av kommersiell fusionsenergi."
Det första steget för att skapa förutsättningar för fusion är att generera ett plasma - det energiska "materiens fjärde tillstånd" där kärnor och elektroner inte är bundna till atomer utan flyter fritt i en subatomär soppa. Komprimering och uppvärmning av en plasma gjord av två former av väte som kallas deuterium och tritium får deras kärnor att kollidera och smälta samman. När de gör det avger fusionsreaktioner ungefär 10 miljoner gånger mer energi per uns än att bränna samma mängd kol.
Sådana fusionsreaktioner har observerats i labbet i decennier i relativt små mängder. Den stora utmaningen är dock att skapa mer utgående fusionsenergi från dessa reaktioner än den inmatade energin som krävs för att initiera dem.
Zap Energys teknologi är baserad på ett enkelt plasmainneslutningsschema känt som en Z-pinch, där stora elektriska strömmar kanaliseras genom en tunn plasmaglödtråd. Det ledande plasmat genererar sina egna elektromagnetiska fält, som både värmer och komprimerar det. Medan Z-pinch fusion har experimenterats med sedan 1950-talet, har tillvägagångssättet till stor del hindrats av hur kortlivade dess plasma är, ett problem som Zap har löst genom att applicera ett dynamiskt flöde genom plasman, en process som kallas sheared-flow stabilization.
"Dynamiken är en underbar balansgång av plasmafysik", förklarar Levitt. "När vi klättrar till högre och högre plasmaströmmar, optimerar vi sweet spot där temperaturen, densiteten och livslängden för Z-nypet anpassas för att bilda en stabil, högpresterande smältplasma."
En hälsosam nypa
Fusionsforskare mäter plasmatemperaturer i enheter av elektron-volt och kan mäta temperaturen på plasmans joner (kärnor) och elektroner separat. Eftersom jonerna är mer än tusen gånger tyngre än elektronerna, kan plasmans två komponenter värmas och svalna med olika hastigheter.
Eftersom jonerna är det som i slutändan behöver värmas upp till fusionstemperaturer, oroar sig plasmafysiker ofta över situationer där kalla elektroner begränsar jonuppvärmningen, som isbitar i en varm soppa. Elektronerna i FuZE-plasman visade sig dock vara lika heta som jonerna, vilket indikerar att plasman är i en hälsosam termisk jämvikt.
Vidare visar Zaps detaljerade mätningar att elektrontemperaturer och produktion av fusionsneutroner toppar samtidigt. Eftersom neutroner är en primär produkt av smältjonerna stödjer dessa observationer idén om ett smältplasma i termisk jämvikt.
"Resultaten i den här artikeln och ytterligare tester som vi har gjort sedan dess ger en bra helhetsbild av ett fusionsplasma med utrymme att skala mot energivinst", säger Uri Shumlak, medgrundare och chefsforskare på Zap Energy. "När vi arbetar med högre strömmar ser vi fortfarande ett klippt flöde som förlänger Z-pinch-livslängderna tillräckligt länge för att producera mycket höga temperaturer och de associerade neutronutbyten som vi skulle förutsäga från modellering."
Temperaturerna som rapporterats i tidningen mättes av ett team av externa medarbetare från LLNL och UCSD som är skickliga i en plasmamätningsteknik som kallas Thomson-spridning. För att utföra Thomson-spridning använder forskare en mycket ljusstark, mycket snabb laser för att avfyra en puls av grönt ljus i plasman, som sprider sig från elektronerna och ger information om deras temperatur och densitet.
"Vi är särskilt tacksamma mot samarbetsteamet för det arbete de gjorde för att hjälpa till att samla in denna data och förfina en kritisk mätteknik för oss", konstaterar Levitt. Informerad av detta samarbetes mätningar på hundratals plasma, samlar Zap nu rutinmässigt Thomson-spridningsdata på FuZE-Q, dess senaste generations enhet.
Till skillnad från de två vanliga fusionsmetoderna som har varit i fokus för majoriteten av fusionsforskningen under de senaste decennierna, kräver Zaps teknologi inte dyra och komplexa supraledande magneter eller kraftfulla lasrar.
"Zap tech är storleksordningar billigare och snabbare att bygga än andra enheter, vilket gör att vi kan iterera snabbt och producera de billigaste termiska fusionsneutronerna som finns. Övertygande innovationsekonomi är avgörande för att lansera en kommersiell fusionsprodukt på en tidsskala som är viktig." sa Benj Conway, VD och medgrundare av Zap.
År 2022, samtidigt som dessa resultat från FuZE samlades in, beställde Zap sin nästa generations enhet FuZE-Q. Även om tidiga resultat från FuZE-Q fortfarande är ute, har enheten en powerbank med tio gånger så mycket lagrad energi som FuZE och kapacitet att skala till mycket högre temperaturer och densiteter. Samtidigt pågår parallell utveckling av kraftverkssystem.
"Vi startade Zap med att veta att vi hade en teknologi som var unik och utanför status quo, så att definitivt passera denna höga elektrontemperatur och se dessa resultat i en förstklassig fysiktidning är en viktig validering", säger Conway. "Vi har förvisso stora utmaningar framför oss, men vi har alla ingredienser för att lösa dem."
Mer information: B. Levitt et al, Elevated Electron Temperature Coincident with Observed Fusion Reactions in a Sheared-Flow-Stabilized Z Pinch, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.155101
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
Tillhandahålls av Zap Energy
