Uma máquina de fusão compacta atingiu pressões gigapascal

O FuZE-3 é também o primeiro sistema da Zap a utilizar um terceiro eletrodo, que permite controlar de forma independente os mecanismos responsáveis ​​pela aceleração e compressão do plasma. As primeiras descobertas foram compartilhadas durante a reunião da Divisão de Física do Plasma da American Physical Society em Long Beach, Califórnia.

“Existem algumas grandes mudanças no FuZE-3 em comparação com os sistemas anteriores do Zap e é ótimo vê-lo funcionar tão bem tão rapidamente”, diz Colin Adams, Chefe de Física Experimental.

Por que a pressão extrema é importante para a fusão

A produção de energia a partir da fusão requer plasma extremamente quente e denso. A pressão, que reflete tanto a temperatura quanto a densidade, desempenha um papel central porque uma pressão mais alta permite que ocorram mais reações de fusão. Alguns sistemas de fusão concentram-se em atingir as pressões mais altas possíveis, enquanto outros compensam confinando o plasma por períodos mais longos. O aperto Z estabilizado com fluxo cisalhado do Zap busca um equilíbrio entre forte compressão e confinamento sustentado.

A melhor medição de pressão eletrônica de disparo único da equipe até agora é de 830 MPa. Como o plasma contém elétrons e íons muito mais pesados, e espera-se que ambos atinjam temperaturas semelhantes, a pressão plasmática combinada (elétrons e íons) é estimada em cerca de 1,6 GPa. Para colocar isto em perspectiva, um gigapascal é aproximadamente dez mil vezes a pressão da atmosfera da Terra ao nível do mar, ou cerca de dez vezes a pressão no fundo da Fossa das Marianas.

Essas pressões foram mantidas por cerca de um microssegundo (um milionésimo de segundo) e medidas usando espalhamento óptico de Thomson, uma técnica considerada o método mais confiável para determinar as condições do plasma.

Experimentos recentes com FuZE-3 produziram vários disparos repetíveis com densidades de elétrons entre 3-5×1024 m-3 e temperaturas de elétrons acima de 1 keV (igual a 21.000.000 graus Fahrenheit).

“Este foi um grande esforço da equipe que foi bem-sucedido devido a um ciclo fortemente acoplado de previsões teóricas, modelagem computacional, engenharia rápida de construção e teste, validação experimental e experiência em medição”, disse Ben Levitt, vice-presidente de P&D. “Com um sistema menor, temos a vantagem de podermos nos mover rapidamente, e alcançar esses resultados em sistemas que têm uma fração do tamanho e do custo de dispositivos de fusão de desempenho comparável é uma grande parte do que torna esta conquista tão significativa.”

Projetando o FuZE-3 para maior desempenho de fusão

FuZE-3 é a terceira versão da plataforma FuZE e o quinto dispositivo Z-pinch estabilizado com fluxo cisalhado que a Zap construiu. A máquina FuZE original, que foi a primeira a atingir temperaturas acima de 1 keV, foi aposentada. O FuZE-Q, que permanece em operação, é atualmente o melhor desempenho da empresa em termos de potência e rendimento de nêutrons de fusão.

O objetivo do FuZE-3 é atingir valores mais elevados do produto triplo, uma métrica chave de fusão que combina densidade, temperatura e tempo de confinamento. Para suportar isto, o sistema inclui três eletrodos e dois bancos de capacitores.

Controle Independente de Aceleração e Compressão

Os testes anteriores de pinça Z na Zap dependiam de um único pulso elétrico movendo-se entre dois eletrodos, o que exigia a mesma fonte de energia para acelerar o plasma para criar um fluxo estabilizador e comprimi-lo em uma pinça Z.

“A capacidade de controlar de forma independente a aceleração e compressão do plasma nos dá um novo dial para ajustar a física e aumentar a densidade do plasma”, diz Adams. “Os sistemas de dois eletrodos têm sido eficazes no aquecimento, mas não possuem a compressão desejada em nossos modelos teóricos.”

Embora os novos dados mostrem pressões muito altas, a abordagem de Zap é baseada no confinamento magnético em estado quase estacionário. Isso é diferente dos sistemas de fusão inercial que dependem de pulsos intensos de nanossegundos de grandes conjuntos de lasers (ou, em alguns casos, outros Z-pinches) para esmagar rapidamente um alvo. Para o método Zap, controlar o fluxo estabilizador que mantém o plasma bem comportado é tão crítico quanto conseguir uma compressão forte.

Progresso inicial e impulso em direção a produtos triplos mais elevados

As mais recentes descobertas de Zap sobre o FuZE-3 ainda são preliminares, pois a equipe continua com campanhas experimentais ativas. Informações adicionais estão sendo compartilhadas na reunião do APS DPP, e o grupo pretende publicar resultados detalhados em revistas científicas nos próximos meses.

“Estamos apenas começando com o FuZE-3”, diz Levitt. “Ele foi construído e comissionado recentemente, estamos gerando muitas imagens de alta qualidade com alta repetibilidade e temos bastante espaço para continuar fazendo rápido progresso no desempenho da fusão. Integraremos as lições do FuZE-3 em nossos sistemas de próxima geração à medida que continuamos avançando em direção à fusão comercial.”

Os testes no FuZE-3 continuarão enquanto a Zap se prepara para lançar outro dispositivo FuZE de próxima geração online neste inverno. O trabalho em futuros sistemas de usinas de energia está progredindo ao mesmo tempo, apoiado pela plataforma de demonstração Century.

Sobre Zap Energia

A Zap Energy está desenvolvendo um sistema de fusão compacto e de baixo custo que confina e comprime o plasma sem as grandes e complexas bobinas magnéticas usadas em muitas outras abordagens. A tecnologia Z-pinch estabilizada com fluxo cisalhado da empresa promete uma economia de fusão mais favorável e requer muito menos capital do que os projetos convencionais. A Zap Energy emprega 150 pessoas em Seattle e San Diego e é apoiada por importantes investidores estratégicos e financeiros.