Un nuevo dispositivo de fusión alcanza presiones récord de gigapascales

Zap Energy alcanzó un hito significativo con su dispositivo Fusion Z-pinch Experiment 3, conocido como FuZE-3. Este equipo generó plasmas con presiones electrónicas de hasta 830 megapascales (MPa), lo que equivale a una presión total de 1.6 gigapascales (GPa). Este nivel de presión es similar a las condiciones extremas que se encuentran en las profundidades de la corteza terrestre y marca el récord más alto registrado en un Z pinch estabilizado por flujo cortado. Este avance representa un paso importante hacia la obtención de ganancias energéticas científicas, o Q>1.

FuZE-3 es el primer sistema de Zap que utiliza un tercer electrodo, lo que permite controlar de manera independiente los mecanismos responsables de acelerar y comprimir el plasma. Los hallazgos iniciales se compartieron durante la reunión de la American Physical Society en Long Beach, California.

"Hay cambios significativos en FuZE-3 en comparación con los sistemas anteriores de Zap, y es genial ver que funciona tan bien tan rápido desde el inicio", comentó Colin Adams, Jefe de Física Experimental.

Importancia de la presión extrema para la fusión

Para producir energía a partir de la fusión, se requiere un plasma que sea extremadamente caliente y denso. La presión, que refleja tanto la temperatura como la densidad, juega un papel central, ya que una mayor presión permite que ocurran más reacciones de fusión. Algunos sistemas de fusión se enfocan en alcanzar las presiones más altas posibles, mientras que otros compensan al confinar el plasma durante períodos más prolongados. El Z pinch estabilizado por flujo cortado de Zap busca un equilibrio entre una fuerte compresión y un confinamiento sostenido.

La medición de presión electrónica más alta del equipo hasta ahora es de 830 MPa. Dado que el plasma contiene electrones y iones mucho más pesados, y se espera que ambos alcancen temperaturas similares, se estima que la presión combinada del plasma (electrones y iones) es de alrededor de 1.6 GPa. Para poner esto en perspectiva, un gigapascal es aproximadamente diez mil veces la presión de la atmósfera terrestre al nivel del mar, o alrededor de diez veces la presión en el fondo de la Fosa de las Marianas.

Estas presiones se mantuvieron durante aproximadamente un microsegundo (un millonésimo de segundo) y se midieron utilizando la dispersión de Thomson óptica, una técnica considerada como el método más confiable para determinar las condiciones del plasma.

Los experimentos recientes con FuZE-3 produjeron múltiples disparos repetibles con densidades electrónicas entre 3-5x10^24 m-3 y temperaturas electrónicas superiores a 1 keV (equivalente a 21,000,000 grados Fahrenheit).

"Este fue un gran esfuerzo del equipo que tuvo éxito gracias a un ciclo estrechamente acoplado de predicciones teóricas, modelado computacional, ingeniería de construcción y prueba rápida, validación experimental y experiencia en medición", afirmó Ben Levitt, Vicepresidente de I+D. "Con un sistema más pequeño, tenemos la ventaja de poder movernos rápidamente, y lograr estos resultados en sistemas que son una fracción del tamaño y costo de los dispositivos de fusión de rendimiento comparable es una gran parte de lo que hace que este logro sea tan significativo".

Diseñando FuZE-3 para un mayor rendimiento de fusión

FuZE-3 es la tercera versión de la plataforma FuZE y el quinto dispositivo Z pinch estabilizado por flujo cortado que Zap ha construido. La máquina original FuZE, que fue la primera en alcanzar temperaturas superiores a 1 keV, ha sido retirada. FuZE-Q, que sigue en operación, es actualmente el mejor en términos de potencia y rendimiento de neutrones de fusión.

El objetivo de FuZE-3 es alcanzar valores más altos del producto triple, una métrica clave de fusión que combina densidad, temperatura y tiempo de confinamiento. Para apoyar esto, el sistema incluye tres electrodos y dos bancos de capacitores.

Control independiente de aceleración y compresión

Las pruebas anteriores de Z pinch en Zap dependían de un único pulso eléctrico que se movía entre dos electrodos, lo que requería la misma fuente de energía para acelerar el plasma y crear un flujo estabilizador y comprimirlo en un Z pinch.

"La capacidad de controlar de manera independiente la aceleración y compresión del plasma nos da un nuevo dial para ajustar la física y aumentar la densidad del plasma", dijo Adams. "Los sistemas de dos electrodos han sido efectivos para calentar, pero carecían de la compresión que se buscaba en nuestros modelos teóricos".

Aunque los nuevos datos muestran presiones muy altas, el enfoque de Zap se basa en el confinamiento magnético cuasi-estacionario. Esto es diferente de los sistemas de fusión inercial que dependen de pulsos intensos de nanosegundos de grandes arreglos de láseres (o en algunos casos otros Z pinches) para aplastar rápidamente un objetivo. Para el método de Zap, controlar el flujo estabilizador que mantiene el plasma en buen comportamiento es tan crítico como lograr una fuerte compresión.

Progreso temprano y el impulso hacia productos triples más altos

Los hallazgos más recientes de FuZE-3 son aún preliminares, ya que el equipo continúa con campañas experimentales activas. Se están compartiendo más información en la reunión de la APS DPP, y el grupo tiene la intención de publicar resultados detallados en revistas científicas en los próximos meses.

"Realmente estamos comenzando con FuZE-3", dijo Levitt. "Fue construido y comisionado recientemente, estamos generando muchos disparos de alta calidad con alta repetibilidad, y tenemos mucho margen para continuar avanzando rápidamente en el rendimiento de fusión. Integraremos las lecciones de FuZE-3 en nuestros sistemas de próxima generación mientras continuamos avanzando hacia la fusión comercial".

Las pruebas en FuZE-3 continuarán mientras Zap se prepara para poner en marcha otro dispositivo FuZE de próxima generación este invierno. El trabajo en futuros sistemas de plantas de energía avanza al mismo tiempo, respaldado por la plataforma de demostración Century.

Acerca de Zap Energy

Zap Energy está desarrollando un sistema de fusión compacto y de menor costo que confina y comprime plasma sin las grandes y complejas bobinas magnéticas utilizadas en muchos otros enfoques. 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 apoyo de importantes inversores estratégicos y financieros.