Zap Energy ha alcanzado un hito importante con su Fusion Z-Pinch Experiment 3, conocido como FuZE-3. El dispositivo produjo plasma con una presión de electrones de hasta 830 megapascales (MPa), o una presión total de 1,6 gigapascales (GPa), similar a las intensas condiciones que se encuentran en las profundidades de la corteza terrestre. Esto marca la tensión más alta jamás registrada en un pellizco Z estabilizado por flujo de corte y representa un paso significativo hacia el logro de ganancias de resistencia científica o Q>1.
El FuZE-3 es el primer sistema de Zap que utiliza un tercer electrodo, lo que permite un control independiente de los procesos responsables de acelerar y comprimir el plasma. Los resultados preliminares se compartieron durante la reunión de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en Long Beach, California.
“FuZE-3 tiene algunos cambios importantes en comparación con el sistema anterior de Zap y es fantástico verlo funcionar tan rápidamente desde el principio”, afirmó Colin Adams, director de Física Experimental.
¿Por qué es tan urgente para Fusion?
Para producir energía a partir de la fusión se requiere plasma extremadamente caliente y extremadamente denso. La presión, que refleja tanto la temperatura como la densidad, juega un papel central porque una presión más alta permite que ocurran más reacciones de fusión. Algunos sistemas de fusión se centran en alcanzar la presión más alta posible, mientras que otros lo compensan confinando el plasma durante períodos de tiempo más largos. Los alicates Z con flujo estabilizado de Zap buscan un equilibrio entre una fuerte compresión y un cierre duradero.
La medición de presión de electrones de un solo disparo más alta del equipo hasta el momento es 830 MPa. Dado que el plasma contiene electrones y muchos iones pesados, y se espera que ambos alcancen la misma temperatura, se estima que la presión combinada del plasma (electrones e iones) es de aproximadamente 1,6 GPa. Para poner esto en perspectiva, un gigapascales es aproximadamente diez mil veces la presión de la atmósfera terrestre al nivel del mar, o aproximadamente diez veces la presión debajo de la Fosa de las Marianas.
Estas presiones se mantuvieron durante aproximadamente un microsegundo (una millonésima de segundo) y se midieron mediante dispersión óptica de Thomson, una técnica considerada el método más fiable para determinar las condiciones del plasma.
Experimentos recientes con FuZE-3 produjeron múltiples disparos repetibles a densidades de electrones entre 3-5×1024 m-3 y temperaturas de electrones de 1 keV (igual a 21.000.000 de grados Fahrenheit).
“Este fue un esfuerzo importante por parte del equipo que tuvo éxito debido a un ciclo estrechamente acoplado de predicciones teóricas, modelado computacional, ingeniería de prueba y construcción rápida, validación experimental y eficiencia de medición”, dijo Ben Levitt, vicepresidente de I+D. “Tenemos la ventaja de poder avanzar rápidamente con un sistema más pequeño, y lograr estos resultados en sistemas de una fracción del tamaño y costo de dispositivos de fusión de rendimiento comparables es una gran parte de un logro tan notable”.
FuZE-3 diseñado para un rendimiento de fusión superior
El FuZE-3 es la tercera versión de la plataforma FuZE y el quinto dispositivo de pellizco en Z estabilizado por flujo cortado desarrollado por Zap. La máquina FuZE original, que fue la primera en alcanzar temperaturas superiores a 1 keV, ha sido retirada desde entonces. FuZE-Q, que está operativo, es actualmente el de mejor desempeño de la compañía en términos de energía y producción de neutrones de fusión.
FuZE-3 pretende alcanzar valores más altos del triple producto, una métrica de fusión clave que combina concentración, temperatura y tiempo de confinamiento. Para ello, el sistema incluye tres electrodos y dos bancos de condensadores.
Control independiente de aceleración y desaceleración.
Los experimentos anteriores de Zapp se basaban en un único pulso eléctrico que corría entre dos electrodos, lo que requería la misma fuente de energía para generar una corriente estable y acelerar el plasma para comprimirlo en un pellizco en Z.
“La capacidad de controlar de forma independiente la aceleración y contracción del plasma nos brinda un nuevo dial para ajustar la física y aumentar la densidad del plasma”, dijo Adams. “Los sistemas de dos electrodos han sido eficaces para calentar, pero carecían de la contracción observada en nuestros modelos teóricos”.
Aunque los nuevos datos muestran presiones muy altas, el método de Zapp se basa en un confinamiento magnético en estado casi estacionario. Esto difiere de los sistemas de fusión inercial que dependen de pulsos intensos de nanosegundos de grandes conjuntos de láseres (o en algunos casos, otros pinchazos en Z) para aplastar rápidamente un objetivo. Para el método de Zapp, controlar bien el flujo estable que utiliza el plasma es tan importante como lograr una fuerte compresión.
Avances tempranos e impulso hacia productos triples superiores
Los nuevos hallazgos de Zap sobre FuZE-3 son aún preliminares mientras el equipo continúa una campaña experimental activa. En la reunión del DPP de APS se compartirán ideas adicionales y el grupo planea publicar resultados detallados en revistas científicas el próximo mes.
“Realmente estamos comenzando con FuZE-3”, dijo Levitt. “Desde que se construyó y lanzó recientemente, estamos realizando muchas tomas de alta calidad con alta repetibilidad y tenemos mucho margen para continuar logrando avances rápidos en el rendimiento de la fusión. Integraremos las lecciones de FuZE-3 en nuestros sistemas de próxima generación a medida que avancemos hacia la fusión comercial”.
Las pruebas en el FuZE-3 continuarán mientras Zap se prepara para poner en línea otro dispositivo FuZE de próxima generación este invierno. Al mismo tiempo, avanzan los trabajos sobre el futuro sistema de central eléctrica apoyado en la plataforma de demostración Century.
Acerca de Zap Energy
Zap Energy está desarrollando un sistema de fusión compacto y de bajo costo que confina y comprime plasma sin las grandes y complejas bobinas magnéticas utilizadas en muchos otros métodos. La tecnología Z-pinch estabilizada por flujo cortado de la compañía promete una economía de fusión más favorable y requiere mucho menos capital que los diseños convencionales. Zap Energy emplea a 150 personas en Seattle y San Diego y cuenta con el respaldo de importantes inversores estratégicos y financieros.
