A Zap Energy alcançou um marco importante com seu Experimento de Z-pinch de Fusão 3, conhecido como FuZE-3. O dispositivo gerou plasmas com pressões eletrônicas de até 830 megapascals (MPa), ou uma pressão total de 1,6 gigapascals (GPa), um nível semelhante às condições intensas encontradas nas profundezas da crosta terrestre. Isso marca a maior pressão já registrada em um Z pinch estabilizado por fluxo cisalhado e representa um passo significativo em direção à obtenção de ganho energético científico, ou Q>1.
O FuZE-3 também é o primeiro sistema da Zap a utilizar um terceiro eletrodo, o que permite que os mecanismos responsáveis por acelerar e comprimir o plasma sejam controlados de forma independente. Resultados preliminares foram compartilhados durante a reunião da Divisão de Física de Plasma da American Physical Society em Long Beach, Califórnia.
“Há mudanças significativas no FuZE-3 em comparação com os sistemas anteriores da Zap, e é ótimo vê-lo apresentar um desempenho tão bom logo no início,” diz Colin Adams, chefe de Física Experimental.
Por que a Pressão Extrema é Importante para a Fusão
Produzir energia a partir da fusão requer plasma que seja extremamente quente e extremamente denso. A pressão, que reflete tanto a temperatura quanto a densidade, desempenha um papel central porque uma pressão mais alta permite que mais reações de fusão ocorram. Alguns sistemas de fusão se concentram em alcançar as pressões mais altas possíveis, enquanto outros compensam confinando o plasma por períodos mais longos. O Z pinch estabilizado por fluxo cisalhado da Zap busca um equilíbrio entre forte compressão e confinamento sustentado.
A medição de pressão eletrônica em um único disparo mais alta da equipe até agora é de 830 MPa. Como o plasma contém elétrons e íons muito mais pesados, ambos são esperados para alcançar temperaturas semelhantes, a pressão combinada do plasma (elétrons e íons) é estimada em cerca de 1,6 GPa. Para colocar isso em perspectiva, um gigapascal é aproximadamente dez mil 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 foram mantidas por cerca de um microssegundo (um milionésimo de segundo) e medidas usando dispersão óptica Thomson, uma técnica considerada o método mais confiável para determinar as condições do plasma.
Experimentos recentes com o FuZE-3 produziram vários disparos repetitivos com densidades eletrônicas entre 3-5×1024 m-3 e temperaturas eletrônicas acima de 1 keV (igual a 21.000.000 graus Fahrenheit).
“Esse foi um grande esforço da equipe que foi bem-sucedido devido a um ciclo estreitamente acoplado de previsões teóricas, modelagem computacional, engenharia de construção e teste rápidas, validação experimental e expertise em medição,” diz Ben Levitt, vice-presidente de P&D. “Com um sistema menor, temos o benefício de poder agir rapidamente, e alcançar esses resultados em sistemas que são uma fração do tamanho e custo dos dispositivos de fusão de desempenho comparável é uma parte importante do que torna essa conquista tão significativa.”
Projetando o FuZE-3 para Desempenho de Fusão Mais Alto
O FuZE-3 é a terceira versão da plataforma FuZE e o quinto dispositivo de Z-pinch estabilizado por fluxo cisalhado construído pela Zap. A máquina original FuZE, que foi a primeira a atingir temperaturas acima de 1 keV, foi aposentada. O FuZE-Q, que permanece em operação, é atualmente o melhor desempenho da empresa em termos de poder e rendimento de nêutrons de fusão.
O objetivo do FuZE-3 é alcançar valores mais altos do produto triplo, uma métrica chave de fusão que combina densidade, temperatura e tempo de confinamento. Para apoiar isso, o sistema inclui três eletrodos e dois bancos de capacitores.
Controle Independente de Aceleração e Compressão
Os testes anteriores de Z-pinch na Zap dependiam de um único pulso elétrico movendo-se entre dois eletrodos, o que exigia a mesma fonte de energia para acelerar o plasma e criar o fluxo estabilizador e para comprimi-lo em um Z pinch.
“A capacidade de controlar independentemente a aceleração e a compressão do plasma nos dá um novo parâmetro para ajustar a física e aumentar a densidade do plasma,” diz Adams. “Os sistemas de dois eletrodos foram eficazes em aquecer, mas faltaram a compressão almejada em nossos modelos teóricos.”
Embora os novos dados mostrem pressões muito altas, a abordagem da Zap é baseada na contenção magnética quasi-estacionária. Isso é diferente dos sistemas de fusão inercial que dependem de pulsos intensos de nanosegundos de grandes matrizes de lasers (ou em alguns casos, outros Z-pinches) para esmagar rapidamente um alvo. Para o método da Zap, controlar o fluxo estabilizador que mantém o plasma comportado é tão crítico quanto alcançar uma forte compressão.
Progresso Precoce e o Impulso em Direção a Produtos Triplos Mais Altos
As mais recentes descobertas da Zap sobre o FuZE-3 ainda são preliminares, à medida que a equipe continua suas campanhas experimentais ativas. Informações adicionais estão sendo compartilhadas na reunião da APS DPP, e o grupo pretende publicar resultados detalhados em revistas científicas nos próximos meses.
“Estamos realmente apenas começando com o FuZE-3,” diz Levitt. “Ele foi construído e comissionado recentemente, estamos gerando muitos disparos de alta qualidade com alta repetibilidade e temos bastante margem para continuar fazendo progressos rápidos no desempenho da fusão. Vamos integrar as lições do FuZE-3 em nossos sistemas de próxima geração à medida que continuamos avançando em direção à fusão comercial.”
Os testes no FuZE-3 continuarão enquanto a Zap se prepara para colocar outro dispositivo FuZE de próxima geração em operação neste inverno. O trabalho em sistemas de usinas futuras está progredindo ao mesmo tempo, apoiado pela plataforma de demonstração Century.
Sobre a Zap Energy
A Zap Energy está desenvolvendo um sistema de fusão compacto e de baixo custo que confina e comprime plasma sem as grandes e complexas bobinas magnéticas usadas em muitas outras abordagens. A tecnologia de Z-pinch estabilizado por fluxo cisalhado da empresa promete uma economia de fusão mais favorável e requer muito menos capital do que os designs convencionais. A Zap Energy emprega 150 pessoas em Seattle e San Diego e é apoiada por investidores estratégicos e financeiros de destaque.