Nei nove decenni trascorsi da quando gli esseri umani hanno prodotto per la prima volta reazioni di fusione, solo poche tecnologie di fusione hanno dimostrato la capacità di creare un plasma di fusione termica con temperature degli elettroni più calde di 10 milioni di gradi Celsius, all’incirca la temperatura del nucleo del sole. L'approccio unico di Zap Energy, noto come pizzico Z stabilizzato a flusso di taglio, si è ora unito a questi ranghi rarefatti, superando di gran lunga questa pietra miliare della temperatura del plasma in un dispositivo che è una frazione della scala di altri sistemi di fusione.
Un nuovo documento di ricerca, pubblicato su Physical Review Letters, dettaglia le misurazioni effettuate sul Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) di Zap Energy delle temperature degli elettroni del plasma da 1 a 3 keV, all'incirca l'equivalente da 11 a 37 milioni di gradi Celsius (da 20 a 66 milioni di gradi Fahrenheit).
A causa della capacità degli elettroni di raffreddare rapidamente un plasma, questa impresa rappresenta un ostacolo fondamentale per i sistemi di fusione e FuZE è il dispositivo più semplice, piccolo e dal costo più basso ad averlo raggiunto. La tecnologia di Zap offre il potenziale per un percorso molto più breve e pratico verso un prodotto commerciale in grado di produrre energia abbondante, su richiesta e priva di emissioni di carbonio in tutto il mondo.
"Si tratta di misurazioni meticolose e inequivocabili, eppure effettuate su un dispositivo di scala incredibilmente modesta rispetto agli standard di fusione tradizionali", descrive Ben Levitt, vicepresidente di ricerca e sviluppo di Zap. "Abbiamo ancora molto lavoro davanti a noi, ma le nostre prestazioni fino ad oggi sono progredite al punto che ora possiamo stare fianco a fianco con alcuni dei più importanti dispositivi di fusione del mondo, ma con grande efficienza, e allo stesso tempo una frazione della complessità e dei costi."
"Nel corso di molti decenni di ricerca sulla fusione controllata, solo una manciata di concetti di fusione hanno raggiunto la temperatura degli elettroni di 1 keV", osserva Scott Hsu, coordinatore capo della fusione presso il DOE ed ex direttore del programma ARPA-E. "Ciò che questo team ha ottenuto qui è notevole e rafforza gli sforzi di ARPA-E per accelerare lo sviluppo dell'energia da fusione commerciale."
Il primo passo per creare le condizioni per la fusione è generare un plasma, il “quarto stato energetico della materia” in cui nuclei ed elettroni non sono legati insieme in atomi ma fluiscono liberamente in una zuppa subatomica. La compressione e il riscaldamento di un plasma costituito da due forme di idrogeno chiamate deuterio e trizio provoca la collisione e la fusione dei loro nuclei. Quando ciò accade, le reazioni di fusione emettono circa 10 milioni di volte più energia per oncia rispetto alla combustione della stessa quantità di carbone.
Tali reazioni di fusione sono state osservate in laboratorio per decenni in quantità relativamente piccole. Tuttavia, la grande sfida è creare più energia di fusione in uscita da tali reazioni rispetto all'energia in ingresso necessaria per avviarle.
La tecnologia di Zap Energy si basa su un semplice schema di confinamento del plasma noto come pizzico a Z, in cui grandi correnti elettriche vengono incanalate attraverso un sottile filamento di plasma. Il plasma conduttore genera i propri campi elettromagnetici, che lo riscaldano e lo comprimono. Sebbene la fusione Z-pinch sia stata sperimentata fin dagli anni ’50, l’approccio è stato in gran parte ostacolato dalla breve durata dei suoi plasmi, un problema che Zap ha risolto applicando un flusso dinamico attraverso il plasma, un processo chiamato stabilizzazione del flusso di taglio.
"Le dinamiche sono un meraviglioso atto di equilibrio della fisica del plasma", spiega Levitt. "Mentre saliamo verso correnti di plasma sempre più elevate, ottimizziamo il punto ottimale in cui la temperatura, la densità e la durata del pizzico Z si allineano per formare un plasma di fusione stabile e ad alte prestazioni."
Un pizzico salutare
I ricercatori della fusione misurano la temperatura del plasma in unità di elettronvolt e possono misurare separatamente la temperatura degli ioni (nuclei) e degli elettroni del plasma. Poiché gli ioni sono mille volte più pesanti degli elettroni, i due componenti del plasma possono riscaldarsi e raffreddarsi a velocità diverse.
Poiché gli ioni sono ciò che alla fine deve essere riscaldato alle temperature di fusione, i fisici del plasma spesso si preoccupano delle situazioni in cui gli elettroni freddi limitano il riscaldamento degli ioni, come i cubetti di ghiaccio in una zuppa calda. Tuttavia, è stato dimostrato che gli elettroni nel plasma FuZE sono caldi quanto gli ioni, indicando che il plasma è in un sano equilibrio termico.
Inoltre, le misurazioni dettagliate di Zap mostrano che la temperatura degli elettroni e la produzione di neutroni da fusione raggiungono il picco simultaneamente. Poiché i neutroni sono un prodotto primario degli ioni di fusione, queste osservazioni supportano l'idea di un plasma di fusione in equilibrio termico.
"I risultati di questo articolo e gli ulteriori test che abbiamo effettuato da allora dipingono tutti un buon quadro generale di un plasma di fusione con margini di miglioramento verso il guadagno di energia", afferma Uri Shumlak, co-fondatore e capo scienziato di Zap Energy. "Lavorando a correnti più elevate vediamo ancora un flusso tagliato che estende la durata del pizzico Z abbastanza a lungo da produrre temperature molto elevate e le rese di neutroni associate che prevediamo dalla modellazione."
Le temperature riportate nel documento sono state misurate da un team di collaboratori esterni di LLNL e UCSD esperti in una tecnica di misurazione del plasma chiamata scattering Thomson. Per eseguire lo scattering Thomson, gli scienziati utilizzano un laser molto luminoso e molto veloce per sparare un impulso di luce verde nel plasma, che si disperde dagli elettroni e fornisce informazioni sulla loro temperatura e densità.
"Siamo particolarmente grati al team di collaborazione per il lavoro svolto per aiutarci a raccogliere questi dati e perfezionare per noi una tecnica di misurazione critica", osserva Levitt. Basato sulle misurazioni di questa collaborazione su centinaia di plasmi, Zap ora raccoglie regolarmente dati di diffusione Thomson su FuZE-Q, il suo dispositivo di ultima generazione.
A differenza dei due approcci tradizionali alla fusione che sono stati al centro della maggior parte della ricerca sulla fusione negli ultimi decenni, la tecnologia di Zap non richiede magneti superconduttori costosi e complessi o laser potenti.
"La tecnologia Zap è molto meno costosa e più veloce da costruire rispetto ad altri dispositivi, permettendoci di iterare rapidamente e produrre i neutroni di fusione termica più economici sul mercato. Un'economia di innovazione convincente è vitale per lanciare un prodotto di fusione commerciale in un lasso di tempo che conta," ha affermato Benj Conway, CEO e cofondatore di Zap.
Nel 2022, nello stesso momento in cui sono stati raccolti questi risultati di FuZE, Zap ha commissionato il suo dispositivo di prossima generazione FuZE-Q. Anche se i primi risultati di FuZE-Q sono ancora imminenti, il dispositivo ha un power bank con dieci volte l’energia immagazzinata di FuZE e la capacità di adattarsi a temperature e densità molto più elevate. Nel frattempo è in corso anche lo sviluppo parallelo di sistemi di centrali elettriche.
"Abbiamo avviato Zap sapendo di avere una tecnologia unica e al di fuori dello status quo, quindi superare definitivamente questo limite di alta temperatura degli elettroni e vedere questi risultati in una prestigiosa rivista di fisica è un'importante conferma", afferma Conway. "Abbiamo sicuramente davanti a noi grandi sfide, ma abbiamo tutti gli ingredienti per risolverle."
Ulteriori informazioni: B. Levitt et al, Temperatura elettronica elevata coincidente con reazioni di fusione osservate in un pizzico Z stabilizzato con flusso di taglio, Lettere di revisione fisica (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.155101
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica
Fornito da Zap Energy
