En las nueve décadas transcurridas desde que los humanos produjeron por primera vez reacciones de fusión, sólo unas pocas tecnologías de fusión han demostrado la capacidad de producir un plasma de fusión térmica con temperaturas de electrones superiores a 10 millones de grados Celsius, aproximadamente la temperatura del núcleo del sol. El enfoque único de Zap Energy, conocido como pellizco Z estabilizado por flujo cortado, ahora se ha unido a esas filas enrarecidas, superando con creces este hito de temperatura del plasma en un dispositivo que es una fracción de la escala de otros sistemas de fusión.
Un nuevo artículo de investigación, publicado en Physical Review Letters detalla las mediciones realizadas en el experimento Fusion Z-pinch (FuZE) de Zap Energy de temperaturas de electrones de plasma de 1 a 3 keV, aproximadamente el equivalente de 11 a 37 millones de grados Celsius (20 a 66 millones de grados Fahrenheit).
Debido a la capacidad de los electrones para enfriar rápidamente un plasma, esta hazaña es un obstáculo clave para los sistemas de fusión y FuZE es el dispositivo más simple, más pequeño y de menor costo que lo ha logrado. La tecnología de Zap ofrece el potencial de un camino mucho más corto y práctico hacia un producto comercial capaz de producir energía abundante, bajo demanda y libre de carbono para el mundo.
"Se trata de mediciones meticulosas e inequívocas, pero realizadas en un dispositivo de escala increíblemente modesta según los estándares de fusión tradicionales", describe Ben Levitt, vicepresidente de I+D de Zap. "Todavía tenemos mucho trabajo por delante, pero nuestro desempeño hasta la fecha ha avanzado hasta el punto de que ahora podemos estar hombro con hombro con algunos de los dispositivos de fusión más destacados del mundo, pero con gran eficiencia y al mismo tiempo. una fracción de la complejidad y el costo."
"Durante muchas décadas de investigación sobre fusión controlada, sólo un puñado de conceptos de fusión han alcanzado una temperatura de electrones de 1 keV", señala Scott Hsu, coordinador principal de fusión en el DOE y ex director del programa ARPA-E. "Lo que este equipo ha logrado aquí es extraordinario y refuerza los esfuerzos de ARPA-E para acelerar el desarrollo de la energía de fusión comercial".
El primer paso para crear las condiciones para la fusión es generar un plasma, el "cuarto estado de la materia" energético donde los núcleos y los electrones no están unidos formando átomos, sino que fluyen libremente en una sopa subatómica. Comprimir y calentar un plasma formado por dos formas de hidrógeno llamadas deuterio y tritio hace que sus núcleos colisionen y se fusionen. Cuando lo hacen, las reacciones de fusión emiten aproximadamente 10 millones de veces más energía por onza que quemar la misma cantidad de carbón.
Este tipo de reacciones de fusión se han observado en el laboratorio durante décadas en cantidades relativamente pequeñas. Sin embargo, el gran desafío es crear más energía de fusión de salida a partir de esas reacciones que la energía de entrada necesaria para iniciarlas.
La tecnología de Zap Energy se basa en un esquema simple de confinamiento de plasma conocido como pellizco en Z, donde se canalizan grandes corrientes eléctricas a través de un delgado filamento de plasma. El plasma conductor genera sus propios campos electromagnéticos, que lo calientan y lo comprimen. Si bien se ha experimentado con la fusión Z-pinch desde la década de 1950, el enfoque se ha visto obstaculizado en gran medida por la corta vida de sus plasmas, un problema que Zap ha resuelto aplicando un flujo dinámico a través del plasma, un proceso llamado estabilización de flujo cortado.
"La dinámica es un maravilloso acto de equilibrio de la física del plasma", explica Levitt. "A medida que ascendemos a corrientes de plasma cada vez más altas, optimizamos el punto óptimo donde la temperatura, la densidad y la vida útil del pellizco Z se alinean para formar un plasma fusionable estable y de alto rendimiento".
Un pellizco saludable
Los investigadores de fusión miden las temperaturas del plasma en unidades de electronvoltios y pueden medir la temperatura de los iones (núcleos) y electrones del plasma por separado. Dado que los iones son mil veces más pesados que los electrones, los dos componentes del plasma pueden calentarse y enfriarse a velocidades diferentes.
Dado que los iones son los que en última instancia necesitan calentarse hasta temperaturas de fusión, los físicos del plasma a menudo se preocupan por situaciones en las que los electrones fríos limitan el calentamiento de los iones, como los cubitos de hielo en una sopa caliente. Sin embargo, se demostró que los electrones en el plasma FuZE estaban tan calientes como los iones, lo que indica que el plasma se encuentra en un equilibrio térmico saludable.
Además, las mediciones detalladas de Zap muestran que las temperaturas de los electrones y la producción de neutrones de fusión alcanzan su punto máximo simultáneamente. Como los neutrones son un producto primario de la fusión de iones, estas observaciones apoyan la idea de un plasma fusionado en equilibrio térmico.
"Los resultados de este artículo y las pruebas adicionales que hemos realizado desde entonces ofrecen una buena imagen general de un plasma de fusión con espacio para escalar hacia la ganancia de energía", dice Uri Shumlak, cofundador y científico jefe de Zap Energy. "Al trabajar con corrientes más altas, todavía estamos viendo un flujo cortado que extiende la vida útil del Z-pinch lo suficiente como para producir temperaturas muy altas y los rendimientos de neutrones asociados que predeciríamos a partir del modelado".
Las temperaturas reportadas en el artículo fueron medidas por un equipo de colaboradores externos de LLNL y UCSD expertos en una técnica de medición de plasma llamada dispersión Thomson. Para realizar la dispersión Thomson, los científicos utilizan un láser muy brillante y rápido para disparar un pulso de luz verde al plasma, que se dispersa de los electrones y proporciona información sobre su temperatura y densidad.
"Estamos especialmente agradecidos al equipo de colaboración por el trabajo que realizaron para ayudarnos a recopilar estos datos y perfeccionar una técnica de medición crítica para nosotros", señala Levitt. Informado por las mediciones de esta colaboración en cientos de plasmas, Zap ahora recopila de forma rutinaria datos de dispersión de Thomson en FuZE-Q, su dispositivo de última generación.
A diferencia de los dos enfoques de fusión convencionales que han sido el foco de la mayoría de las investigaciones sobre fusión en las últimas décadas, la tecnología de Zap no requiere imanes superconductores costosos y complejos ni láseres potentes.
"La tecnología Zap es mucho menos costosa y más rápida de construir que otros dispositivos, lo que nos permite iterar rápidamente y producir los neutrones de fusión térmica más baratos que existen. Una economía de innovación convincente es vital para lanzar un producto de fusión comercial en una escala de tiempo importante". afirmó Benj Conway, director ejecutivo y cofundador de Zap.
En 2022, al mismo tiempo que se recopilaron estos resultados de FuZE, Zap encargó su dispositivo de próxima generación FuZE-Q. Si bien los primeros resultados de FuZE-Q aún no están disponibles, el dispositivo tiene un banco de energía con diez veces la energía almacenada que FuZE y capacidad para escalar a temperaturas y densidades mucho más altas. Mientras tanto, también está en marcha el desarrollo paralelo de sistemas de centrales eléctricas.
"Comenzamos Zap sabiendo que teníamos una tecnología única y fuera del status quo, por lo que cruzar definitivamente esta marca de alta temperatura de los electrones y ver estos resultados en una revista de física de primer nivel es una validación importante", dice Conway. "Ciertamente tenemos grandes desafíos por delante, pero tenemos todos los ingredientes para resolverlos".
Más información: B. Levitt et al, Temperatura elevada de los electrones coincidente con reacciones de fusión observadas en un pellizco Z estabilizado por flujo cortante, Cartas de revisión física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.155101
Información de la revista: Cartas de revisión física
Proporcionado por Zap Energy
