Zap Energy, en un artículo publicado en Fusión Ciencia y Tecnología, ha definido su metodología para medir y calcular la ganancia de energía neta, o Q, en plasmas de fusión Z-pinch estabilizados con flujo cizallado. Esto marca un paso significativo hacia la demostración de la ganancia de energía en el desarrollo de la energía de fusión. Crédito: Zap Energy
Un nuevo artículo establece métodos científicos para medir y calcular Q en un pellizco Z estabilizado por flujo cizallado.
Zap Energy ha esbozado su enfoque único para medir la ganancia de energía neta, conocida como Q, en el desarrollo de la energía de fusión, según un estudio recientemente publicado. Los plasmas de fusión Z-pinch de la compañía difieren significativamente de otras tecnologías de fusión, y cuentan con
» data-gt-translate-attributes=»[{» attribute=»»>plasma that is 100,000 times denser and lasting several microseconds longer.
In the race to develop fusion energy, each unique approach requires its own specialized techniques to determine net energy gain, an equation balancing energy in and out that’s known by the letter Q.
A new paper, published today (June 5) in the journal Fusion Science and Technology, establishes the company’s method of measuring and calculating Q in Zap’s sheared-flow-stabilized Z-pinch fusion plasmas. The publication will be an important part of Zap demonstrating energy gain on the way to building a commercial fusion system.
“The way we generate fusion-grade plasmas in our devices is different from other fusion technologies so this paper helps lay the groundwork for quantifying our progress,” says Uri Shumlak, Zap Energy cofounder, Chief Science Officer and lead author on the paper.
https://www.youtube.com/watch?v=oCivfNar_ek
Lo suficientemente caliente, lo suficientemente denso, durante el tiempo suficiente: las tres variables de temperatura, densidad y tiempo se conocen colectivamente en fusión como el producto triple. Y si bien existen diferentes formas de crear fusión, todas deben escalar el producto triple para lograr ganancias netas de energía. Crédito: Zap Energy
Un enfoque distintivo
Al igual que otros dispositivos de fusión, Zap Energy planea fusionar núcleos de hidrógeno dentro de un material llamado plasma que debe sobrecalentarse a temperaturas más altas que el sol. Las propiedades del plasma se pueden medir para determinar Q, o la ganancia de energía neta, en parte calculando su triple producto: qué tan caliente y denso es un plasma, y cuánto dura.
El producto triple es útil cuando se comparan diferentes conceptos de fusión, por ejemplo, al observar cómo los dispositivos Z-pinch estabilizados con flujo cizallado difieren de los dispositivos de fusión más tradicionales, como el tokamak u otros enfoques de fusión, y también se pueden usar como un proxy simplificado. para Q
Zap Energy crea fusión en un filamento de plasma de menos de dos pies de largo. La imagen insertada es una foto de cámara de alta velocidad de un plasma en el dispositivo de Zap. Crédito: Zap Energy
En el caso de Zap, sus característicos plasmas Z-pinch son unas 100.000 veces más densos que los de los tokamaks y duran muchos microsegundos. Se está diseñando un sistema pulsado para crear plasmas repetidamente.
Los plasmas de Zap fluyen en una línea con material a diferentes distancias de la parte más interna de la línea moviéndose a diferentes velocidades desde sus bordes exteriores. Esto crea lo que se llama estabilización de flujo cizallado, que mantiene el plasma el tiempo suficiente para que se produzcan reacciones de fusión sostenidas. La estabilización de flujo cizallado permite a Zap confinar plasmas sin imanes externos, pero también genera la necesidad de mediciones y análisis especialmente adecuados.
Midiendo Q
Para calcular el producto triple, Zap mide la temperatura del plasma, su densidad y la velocidad del flujo para determinar la duración del confinamiento del plasma. El cálculo correspondiente de Q es la relación entre la potencia de fusión (salida) y la potencia de entrada y se compara estrechamente con el método utilizado para medir la ganancia en otros enfoques de confinamiento magnético, como el tokamak. Los enfoques de confinamiento inercial, como la demostración del año pasado de Q>1 por la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, producen plasmas de corta duración y definen Q como la relación entre la energía de fusión y la energía de entrada.
Zap Energy está mejorando el rendimiento del plasma de fusión dentro de su dispositivo FuZE-Q. Crédito: Zap Energy
La principal diferencia entre potencia y energía es que la potencia es la energía por unidad de tiempo. Dado que los plasmas de Zap están confinados por períodos de tiempo que se ubican entre los enfoques tradicionales de fusión magnética e inercial, elegir calcular Q en función de la potencia es una distinción importante.
«Publicar estos detalles técnicos es muy importante. No se puede simplemente dejar caer un termómetro en un plasma de fusión para ver lo que está sucediendo, por lo que usamos una combinación de observaciones directas e indirectas que ayudan a dar una imagen de las condiciones», dice Ben Levitt, vicepresidente de I+D de Zap Energy. «Este documento nos brinda la oportunidad de asegurarnos de que otros físicos estén de acuerdo en que nuestra metodología se ajusta bien a lo que se ha establecido a lo largo de los años en la comunidad de fusión y establece la forma en que planeamos informar nuestros resultados en un futuro cercano».
Matices en Z
El documento incluye una serie de detalles que son específicos del enfoque de fusión de Zap. Uno de los más importantes es tener en cuenta la potencia de entrada necesaria para impulsar el flujo de plasma estabilizador.
El documento también señala que para los pellizcos de alto rendimiento, es probable que un producto energético de las reacciones de fusión, llamadas partículas alfa, quede atrapada y aumente la ganancia de fusión al compensar parte de la potencia de entrada requerida.
Zap planea correlacionar las observaciones de las condiciones del plasma con las mediciones de los neutrones que se emiten. Debido a que los neutrones son un producto primario de las reacciones de fusión, los científicos esperarían que aumenten cuando las condiciones de fusión sean las adecuadas y disminuyan cuando no lo sean.
Zap logró los primeros plasmas en su dispositivo de cuarta generación, FuZE-Q, en mayo pasado. Las campañas de I+D ya están en marcha utilizando FuZE-Q. El equipo de Zap analizará los resultados tanto de FuZE-Q como de su predecesor FuZE a medida que avanzan hacia la demostración de los primeros plasmas Z-pinch estabilizados con flujo cizallado capaces de Q>1.
Referencia: «Ganancia de fusión y producto triple para el pellizco Z estabilizado por flujo cizallado» 5 de junio de 2023, Fusión Ciencia y Tecnología.
DOI: 10.1080/15361055.2023.2198049
Zap Energy está construyendo una plataforma de energía de fusión escalable, compacta y de bajo costo que confina y comprime el plasma sin necesidad de bobinas magnéticas costosas y complejas. La tecnología Z-pinch estabilizada de flujo cizallado de Zap proporciona una economía de fusión convincente y requiere órdenes de magnitud menos capital que los enfoques convencionales. Zap Energy tiene más de cien miembros del equipo en dos instalaciones cerca de Seattle y cuenta con el respaldo de importantes inversores financieros y estratégicos.
