Wetenschap
Record elektronentemperaturen voor een kleinschalig, met shearing-flow gestabiliseerd Z-pinch-fusieapparaat bereikt
In de negentig jaar sinds mensen voor het eerst fusiereacties produceerden, hebben slechts enkele fusietechnologieën het vermogen aangetoond om een thermisch fusieplasma te maken met elektronentemperaturen die hoger zijn dan 10 miljoen graden Celsius, ongeveer de temperatuur van de kern van de zon. De unieke aanpak van Zap Energy, bekend als een 'sheared-flow-gestabiliseerde Z-pinch', heeft zich nu bij deze ijle gelederen aangesloten en overtreft deze mijlpaal op het gebied van plasmatemperatuur ruimschoots in een apparaat dat een fractie is van de schaal van andere fusiesystemen.
Een nieuw onderzoeksartikel, gepubliceerd in Physical Review Letters, geeft details over metingen die zijn gedaan in het Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) van Zap Energy van 1–3 keV plasma-elektronentemperaturen – ongeveer het equivalent van 11 tot 37 miljoen graden Celsius (20 tot 66 miljoen graden Fahrenheit).
Vanwege het vermogen van de elektronen om een plasma snel af te koelen, is deze prestatie een belangrijke hindernis voor fusiesystemen en FuZE is het eenvoudigste, kleinste en goedkoopste apparaat dat dit ooit heeft bereikt. De technologie van Zap biedt het potentieel voor een veel korter en praktischer pad naar een commercieel product dat in staat is overvloedige, on-demand, koolstofvrije energie voor de hele wereld te produceren.
"Dit zijn nauwgezette, ondubbelzinnige metingen, maar toch uitgevoerd op een apparaat van ongelooflijk bescheiden schaal volgens traditionele fusiestandaarden", beschrijft Ben Levitt, VP R&D bij Zap. "We hebben nog veel werk voor de boeg, maar onze prestaties tot nu toe zijn zo ver gevorderd dat we nu schouder aan schouder kunnen staan met enkele van 's werelds meest vooraanstaande fusie-apparaten, maar met grote efficiëntie, en op een fractie van de complexiteit en kosten."
"Gedurende vele decennia van onderzoek naar gecontroleerde fusie hebben slechts een handvol fusieconcepten een elektronentemperatuur van 1 keV bereikt", merkt Scott Hsu Lead Fusion Coordinator bij de DOE en voormalig ARPA-E-programmadirecteur op. "Wat dit team hier heeft bereikt is opmerkelijk en versterkt de inspanningen van ARPA-E om de ontwikkeling van commerciële fusie-energie te versnellen."
Hete soep
De eerste stap om de voorwaarden voor fusie te creëren is het genereren van een plasma – de energetische ‘vierde toestand van materie’ waarin kernen en elektronen niet aan elkaar gebonden zijn tot atomen, maar vrijelijk kunnen stromen in een subatomaire soep. Het comprimeren en verwarmen van een plasma gemaakt van twee vormen van waterstof, deuterium en tritium genaamd, zorgt ervoor dat hun kernen botsen en samensmelten. Als ze dat doen, geven fusiereacties ongeveer 10 miljoen keer meer energie per ounce dan het verbranden van dezelfde hoeveelheid steenkool.
Dergelijke fusiereacties worden al tientallen jaren in relatief kleine hoeveelheden in het laboratorium waargenomen. De grote uitdaging is echter om meer output-fusie-energie uit deze reacties te halen dan de input-energie die nodig is om ze te initiëren.
De technologie van Zap Energy is gebaseerd op een eenvoudig plasma-opsluitingsschema dat bekend staat als een Z-pinch, waarbij grote elektrische stromen door een dunne plasma-gloeidraad worden geleid. Het geleidende plasma genereert zijn eigen elektromagnetische velden, die het zowel verwarmen als comprimeren. Hoewel er sinds de jaren vijftig met Z-pinch-fusie is geëxperimenteerd, wordt de aanpak grotendeels belemmerd door de korte levensduur van de plasma's, een probleem dat Zap heeft opgelost door een dynamische stroom door het plasma toe te passen, een proces dat 'sheared-flow-stabilisatie' wordt genoemd.
"De dynamiek is een prachtige evenwichtsoefening in de plasmafysica", legt Levitt uit. "Terwijl we naar steeds hogere plasmastromen klimmen, optimaliseren we de goede plek waar de temperatuur, dichtheid en levensduur van de Z-snuifje op één lijn liggen om een stabiel, krachtig smeltplasma te vormen."
Een gezond snufje
Fusieonderzoekers meten plasmatemperaturen in eenheden van elektronvolt en kunnen de temperatuur van de plasma-ionen (kernen) en elektronen afzonderlijk meten. Omdat de ionen meer dan duizend keer zwaarder zijn dan de elektronen, kunnen de twee componenten van het plasma met verschillende snelheden opwarmen en afkoelen.
Omdat het de ionen zijn die uiteindelijk moeten worden verwarmd tot fusietemperaturen, maken plasmafysici zich vaak zorgen over situaties waarin koude elektronen de ionenopwarming beperken, zoals ijsblokjes in een hete soep. De elektronen in het FuZE-plasma bleken echter net zo heet te zijn als de ionen, wat aangeeft dat het plasma zich in een gezond thermisch evenwicht bevindt.
Verder laten de gedetailleerde metingen van Zap zien dat de elektronentemperatuur en de productie van fusieneutronen tegelijkertijd pieken. Omdat neutronen een primair product zijn van de fuserende ionen, ondersteunen deze waarnemingen het idee van een fuserend plasma in thermisch evenwicht.
"De resultaten in dit artikel en verdere tests die we sindsdien hebben gedaan, schetsen allemaal een goed totaalbeeld van een fusieplasma met ruimte om op te schalen naar energiewinst", zegt Uri Shumlak, medeoprichter en hoofdwetenschapper bij Zap Energy. "Als we bij hogere stromen werken, zien we nog steeds een gescheurde stroming die de levensduur van de Z-pinch lang genoeg verlengt om zeer hoge temperaturen te produceren en de bijbehorende neutronenopbrengsten die we op basis van modellering zouden voorspellen."
Gouden standaardmetingen
De temperaturen die in het artikel worden vermeld, zijn gemeten door een team van externe medewerkers van LLNL en UCSD die bekwaam zijn in een plasmameettechniek genaamd Thomson-verstrooiing. Om Thomson-verstrooiing uit te voeren, gebruiken wetenschappers een zeer heldere, zeer snelle laser om een puls groen licht in het plasma af te vuren, dat van de elektronen verstrooit en informatie geeft over hun temperatuur en dichtheid.
"We zijn het samenwerkingsteam vooral dankbaar voor het werk dat ze hebben gedaan om deze gegevens te helpen verzamelen en een kritische meettechniek voor ons te verfijnen", merkt Levitt op. Geïnformeerd door de metingen van deze samenwerking aan honderden plasma's, verzamelt Zap nu routinematig Thomson-verstrooiingsgegevens op FuZE-Q, het apparaat van de nieuwste generatie.
Geen externe magneten, compressie of verwarming
In tegenstelling tot de twee reguliere fusiebenaderingen waar het merendeel van het fusieonderzoek de afgelopen decennia op is gericht, vereist de technologie van Zap geen dure en complexe supergeleidende magneten of krachtige lasers.
"Zap-technologie is een orde van grootte goedkoper en sneller te bouwen dan andere apparaten, waardoor we snel kunnen itereren en de goedkoopste thermische fusie-neutronen kunnen produceren die er zijn. Dwingende innovatie-economie is essentieel voor het lanceren van een commercieel fusieproduct op een tijdschaal die er toe doet, " aldus Benj Conway, CEO en mede-oprichter van Zap.
In 2022, op hetzelfde moment dat deze resultaten van FuZE werden verzameld, nam Zap zijn volgende generatie apparaat FuZE-Q in gebruik. Hoewel de eerste resultaten van FuZE-Q nog niet bekend zijn, heeft het apparaat een powerbank met tien keer zoveel opgeslagen energie als FuZE en het vermogen om op te schalen naar veel hogere temperaturen en dichtheden. Ondertussen is er ook een parallelle ontwikkeling van energiecentralesystemen aan de gang.
"We zijn met Zap begonnen in de wetenschap dat we een technologie hadden die uniek was en buiten de status quo viel, dus het definitief overschrijden van deze hoge elektronentemperatuurgrens en het zien van deze resultaten in een vooraanstaand natuurkundig tijdschrift is een belangrijke validatie", zegt Conway. "We hebben zeker grote uitdagingen in het verschiet, maar we hebben alle ingrediënten om ze op te lossen."