Optag elektrontemperaturer for en lille-skala, forskydnings-flow-stabiliseret Z-pinch fusion enhed opnået
I de ni årtier, der er gået, siden mennesker først producerede fusionsreaktioner, har kun få fusionsteknologier demonstreret evnen til at lave et termisk fusionsplasma med elektrontemperaturer, der er varmere end 10 millioner grader Celsius, omtrent temperaturen i solens kerne. Zap Energys unikke tilgang, kendt som en forskydnings-flow-stabiliseret Z-pinch, har nu sluttet sig til disse forsædvanlige rækker, og langt overskredet denne plasmatemperaturmilepæl i en enhed, der er en brøkdel af skalaen for andre fusionssystemer.
Et nyt forskningspapir, offentliggjort i Physical Review Letters, detaljerede målinger foretaget på Zap Energy's Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) af 1-3 keV plasmaelektrontemperaturer - omtrent hvad der svarer til 11 til 37 millioner grader Celsius (20 til 66 millioner grader Fahrenheit).
På grund af elektronernes evne til hurtigt at afkøle et plasma, er denne bedrift en vigtig hindring for fusionssystemer, og FuZE er den enkleste, mindste og billigste enhed, der har opnået det. Zaps teknologi giver mulighed for en meget kortere og mere praktisk vej til et kommercielt produkt, der er i stand til at producere rigelig, on-demand, kulstoffri energi til kloden.
"Dette er omhyggelige, utvetydige målinger, men alligevel lavet på en enhed af utrolig beskeden skala efter traditionelle fusionsstandarder," beskriver Ben Levitt, VP for R&D hos Zap. "Vi har stadig meget arbejde foran os, men vores præstationer til dato er nået så langt, at vi nu kan stå skulder ved skulder med nogle af verdens fremtrædende fusionsenheder, men med stor effektivitet, og kl. en brøkdel af kompleksiteten og omkostningerne."
"I løbet af mange årtier med kontrolleret fusionsforskning har kun en håndfuld fusionskoncepter nået 1-keV elektrontemperatur," bemærker Scott Hsu Lead Fusion Coordinator ved DOE og tidligere ARPA-E Program Director. "Det, dette hold har opnået her, er bemærkelsesværdigt og forstærker ARPA-E's bestræbelser på at fremskynde udviklingen af kommerciel fusionsenergi."
Varm suppe
Det første skridt til at skabe betingelserne for fusion er at generere et plasma - den energiske "stoffets fjerde tilstand", hvor kerner og elektroner ikke er bundet sammen til atomer, men flyder frit i en subatomær suppe. Komprimering og opvarmning af et plasma lavet af to former for brint kaldet deuterium og tritium får deres kerner til at kollidere og smelte sammen. Når de gør det, afgiver fusionsreaktioner omkring 10 millioner gange mere energi pr. ounce end at brænde den samme mængde kul.
Sådanne fusionsreaktioner er blevet observeret i laboratoriet i årtier i relativt små mængder. Den store udfordring er dog at skabe mere output fusionsenergi fra disse reaktioner end den inputenergi, der kræves for at igangsætte dem.
Zap Energys teknologi er baseret på et simpelt plasmaindeslutningsskema kendt som en Z-pinch, hvor store elektriske strømme kanaliseres gennem en tynd plasmaglødetråd. Det ledende plasma genererer sine egne elektromagnetiske felter, som både opvarmer og komprimerer det. Mens Z-pinch fusion er blevet eksperimenteret med siden 1950'erne, er tilgangen i vid udstrækning blevet forhindret af, hvor kortlivede dens plasmaer er, et problem Zap har løst ved at anvende et dynamisk flow gennem plasmaet, en proces kaldet sheared-flow stabilisering.
"Dynamikken er en vidunderlig balancegang i plasmafysikken," forklarer Levitt. "Når vi klatrer op til højere og højere plasmastrømme, optimerer vi sweet spot, hvor temperaturen, tætheden og levetiden for Z-pinch'en passer sammen for at danne et stabilt, højtydende fusionsplasma."
Et sundt knivspids
Fusionsforskere måler plasmatemperaturer i enheder af elektron-volt og kan måle temperaturen på plasmaets ioner (kerner) og elektroner separat. Da ionerne er mere end tusind gange tungere end elektronerne, kan de to komponenter i plasmaet opvarme og afkøle med forskellige hastigheder.
Da ionerne er det, der i sidste ende skal opvarmes til fusionstemperaturer, bekymrer plasmafysikere sig ofte om situationer, hvor kolde elektroner begrænser ionopvarmning, som isterninger i en varm suppe. Elektronerne i FuZE-plasmaet viste sig dog at være lige så varme som ionerne, hvilket indikerer, at plasmaet er i en sund termisk ligevægt.
Yderligere viser Zaps detaljerede målinger, at elektrontemperaturer og fusionsneutronproduktion topper samtidigt. Da neutroner er et primært produkt af de sammensmeltende ioner, understøtter disse observationer ideen om et sammensmeltende plasma i termisk ligevægt.
"Resultaterne i dette papir og yderligere test, vi har lavet siden, tegner alle et godt overordnet billede af et fusionsplasma med plads til at skalere mod energiforøgelse," siger Uri Shumlak, medstifter og Chief Scientist hos Zap Energy. "Når vi arbejder ved højere strømme, ser vi stadig en forskydning, der forlænger Z-pinch-levetiden lang nok til at producere meget høje temperaturer og de tilhørende neutronudbytter, vi ville forudsige ud fra modellering."
Guldstandardmål
Temperaturerne rapporteret i papiret blev målt af et team af eksterne samarbejdspartnere fra LLNL og UCSD, der er dygtige i en plasmamålingsteknik kaldet Thomson scattering. For at udføre Thomson-spredning bruger videnskabsmænd en meget lysstærk, meget hurtig laser til at affyre en puls af grønt lys ind i plasmaet, som spreder sig fra elektronerne og giver information om deres temperatur og tæthed.
"Vi er især taknemmelige over for samarbejdsteamet for det arbejde, de gjorde for at hjælpe med at indsamle disse data og forfine en kritisk måleteknik for os," bemærker Levitt. Informeret om dette samarbejdes målinger på hundredvis af plasmaer, indsamler Zap nu rutinemæssigt Thomson-spredningsdata på FuZE-Q, dets seneste generationsenhed.
Ingen eksterne magneter, kompression eller opvarmning
I modsætning til de to almindelige fusionstilgange, der har været i fokus for størstedelen af fusionsforskningen i de seneste årtier, kræver Zaps teknologi ikke dyre og komplekse superledende magneter eller kraftige lasere.
"Zap tech er størrelsesordener billigere og hurtigere at bygge end andre enheder, hvilket giver os mulighed for at iterere hurtigt og producere de billigste termiske fusionsneutroner derude. Overbevisende innovationsøkonomi er afgørende for at lancere et kommercielt fusionsprodukt på en tidsskala, der betyder noget," sagde Benj Conway, CEO og medstifter af Zap.
I 2022, samtidig med at disse resultater fra FuZE blev indsamlet, bestilte Zap sin næste generations enhed FuZE-Q. Mens tidlige resultater fra FuZE-Q stadig er på vej, har enheden en powerbank med ti gange den lagrede energi som FuZE og kapacitet til at skalere til meget højere temperaturer og tætheder. I mellemtiden er parallel udvikling af kraftværkssystemer også i gang.
"Vi startede Zap ved at vide, at vi havde en teknologi, der var unik og uden for status quo, så det er en stor validering at krydse dette høje elektrontemperaturmærke og se disse resultater i et førende fysiktidsskrift," siger Conway. "Vi har helt sikkert store udfordringer forude, men vi har alle ingredienserne til at løse dem."
Flere oplysninger: 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
Journaloplysninger: Physical Review Letters
Leveret af Zap Energy
Varme artikler
-
Manglende symmetri i qubits kan ikke rette fejl i kvanteberegning, kan forklare sag/antimaterieEt nyt papir, der søger at helbrede en tidsbegrænsning i kvanteglødecomputere, åbnede i stedet en klasse nye fysikproblemer, der nu kan undersøges med kvanteglødgere uden at kræve, at de er for langso -
Forskere modellerer laviner i to dimensionerSegment af Voronoi gitteret. Spins er på cirklede steder, tilfældigt spredt i det todimensionelle plan. Spinsene interagerer med naboer på tværs af obligationer, der er angivet med sorte linjer. Voron -
Kvantesamarbejde giver ny tyngdekraft til universets mysterierKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Forskere har brugt banebrydende forskning inden for kvanteberegning og kvanteteknologi til at bane vejen for en radikal ny tilgang til at bestemme, hvordan vores u -
Kvantenøgledistributionsnetværk måler nøjagtigt jordvibrationerSkematisk af eksperimentel opsætning. I Alices (Bobs) laboratorium er en frølaser låst til et ultra-lav-ekspansion (ULE) glashulrum for at opnå en subhertz linjebredde ved at bruge Pound-Drever-Hall (