A Zap Energy atingiu um marco importante com seu Experimento Fusion Z-pinch 3, conhecido como FuZE-3. O aparelho produz um plasma com pressão eletrônica de até 830 megapascais (MPa), ou pressão total de 1,6 gigapascais (GPa), nível semelhante às condições intensas encontradas nas profundezas da crosta terrestre. Isto marca a pressão mais alta já registrada em um Z-pinch estabilizado com fluxo de cisalhamento e representa um passo importante para alcançar ganho de energia científico (ou Q> 1).
O FuZE-3 também é o primeiro sistema da Zap a utilizar um terceiro eletrodo, que permite o controle independente dos mecanismos responsáveis pela aceleração e compressão do plasma. As primeiras descobertas foram compartilhadas em uma reunião da Divisão de Física de Plasmas da American Physical Society em Long Beach, Califórnia.
“O FuZE-3 tem algumas mudanças significativas em comparação com o sistema anterior do Zap, e é ótimo vê-lo funcionar tão bem tão rapidamente”, disse Colin Adams, diretor de física experimental.
Por que a pressão extrema é importante para a fusão
A geração de energia através da fusão requer um plasma muito quente e denso. A pressão, que reflete a temperatura e 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 a pressão mais alta possível, enquanto outros compensam confinando o plasma por períodos de tempo mais longos. O Z-pinch estabilizado por fluxo de cisalhamento do Zap busca um equilíbrio entre forte compressão e confinamento sustentado.
O valor mais alto obtido pela equipe em uma única medição eletrônica de pressão até agora é de 830 MPa. Como o plasma contém elétrons e íons mais pesados, e espera-se que ambos atinjam temperaturas semelhantes, a pressão plasmática total (elétrons e íons) é estimada em aproximadamente 1,6 GPa. Para colocar isso em perspectiva, um gigabar é cerca de 10.000 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 são mantidas por cerca de um microssegundo (milionésimos de segundo) e são medidas usando espalhamento óptico de Thomson, técnica considerada o método mais confiável para determinar as condições do plasma.
Experimentos recentes usando FuZE-3 produziram múltiplas emissões reproduzíveis com densidades de elétrons entre 3-5×1024 m-3 e temperaturas de elétrons acima de 1 keV (equivalente a 21.000.000 graus Fahrenheit).
“Este foi um grande esforço da equipe, que foi bem-sucedido devido ao forte acoplamento de previsões teóricas, modelagem computacional, engenharia rápida de construção e teste, validação experimental e experiência em medição”, disse Ben Levitt, vice-presidente de pesquisa e desenvolvimento. “Com um sistema menor, temos a vantagem de podermos avançar rapidamente e alcançar esses resultados em um sistema que tem uma fração do tamanho e do custo de um dispositivo de fusão com desempenho comparável, o que é uma grande parte do que tornou possível esta grande conquista.”
FuZE-3 foi projetado para maior desempenho de fusão
FuZE-3 é a terceira versão da plataforma FuZE e o quinto dispositivo Z-pinch estabilizado com fluxo de cisalhamento construído pela Zap. A máquina FuZE original, que foi a primeira a atingir temperaturas acima de 1 keV, está agora aposentada. O FuZE-Q ainda está operacional e atualmente tem o melhor desempenho da empresa em termos de potência e rendimento de nêutrons de fusão.
O FuZE-3 visa atingir valores mais elevados de 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 primeiros testes de pinça Z do Zap dependiam de um único pulso elétrico movido entre dois eletrodos, o que exigia a mesma fonte de energia para acelerar o plasma para criar um fluxo constante e comprimi-lo em uma pinça Z.
“A capacidade de controlar de forma independente a aceleração e compressão do plasma nos dá um novo botão para ajustar a física e aumentar a densidade do plasma”, disse Adams. “O sistema de dois eletrodos é muito eficiente no aquecimento, mas carece dos alvos de compressão em nossos modelos teóricos”.
Embora os novos dados mostrem pressões muito altas, a abordagem de Zap é baseada em restrições magnéticas de estado quase estacionário. Isso difere dos sistemas de fusão inercial, que dependem de pulsos intensos de nanossegundos de grandes matrizes de laser (ou, em alguns casos, outras pinças Z) para destruir alvos rapidamente. Para a abordagem da Zap, controlar o fluxo constante para manter o bom desempenho do plasma é tão importante quanto obter uma compressão forte.
Progresso inicial e impulso para produtos triplos mais elevados
As últimas descobertas do Zap sobre o FuZE-3 ainda estão nos estágios preliminares e a equipe continua com atividades experimentais ativas. Informações adicionais foram compartilhadas na reunião do APS DPP, e o grupo planeja publicar resultados detalhados em uma revista científica nos próximos meses.
“Estamos apenas começando com o FuZE-3”, disse Levitt. “Ele foi construído recentemente e está operacional, estamos gerando grandes volumes de imagens de alta qualidade com alta repetibilidade e temos amplo espaço para continuar fazendo rápido progresso no desempenho da fusão. Incorporaremos as lições aprendidas com o FuZE-3 em nossos sistemas de próxima geração à medida que continuamos avançando em direção à fusão comercial.”
Os testes do FuZE-3 continuarão enquanto a Zap se prepara para lançar outro dispositivo FuZE de próxima geração neste inverno. O trabalho em futuros sistemas de usinas de energia também está em andamento simultaneamente com o apoio da Century Demonstration Platform.
Sobre Zap Energia
A Zap Energy está desenvolvendo um sistema de fusão compacto e de baixo custo que pode confinar e comprimir plasma sem a necessidade de bobinas magnéticas grandes e complexas usadas em muitos outros métodos. A tecnologia Z-pinch estabilizada por fluxo de cisalhamento da empresa promete uma economia de fusão mais favorável e requer muito menos capital do que os projetos tradicionais. A Zap Energy tem 150 funcionários em Seattle e San Diego e é apoiada por importantes investidores estratégicos e financeiros.
