Fusione: dispositivo compatto raggiunge temperature di 37 milioni di gradi

La compressione e il riscaldamento di un plasma composto da due forme di idrogeno chiamate deuterio e trizio provoca la collisione e la fusione dei loro nuclei. Quando lo fanno, le reazioni di fusione emettono circa 10 milioni di volte più energia per grammo 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 quella di creare più energia di fusione in uscita da queste reazioni rispetto all’energia in ingresso necessaria per avviarle.

 

 

Nei nove decenni trascorsi da quando gli esseri umani hanno prodotto per la prima volta le reazioni di fusione, solo poche tecnologie di fusione hanno dimostrato la capacità di creare un plasma di fusione termica con temperature degli elettroni superiori a 10 milioni di gradi Celsius, all’incirca la temperatura del nucleo del sole.

L’approccio unico di Zap Energy, noto come Z pinch stabilizzato a flusso tranciato, si è ora unito a quei 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 questo mese su Physical Review Letters, descrive in dettaglio le misurazioni effettuate sul Fusion Z-pinch Experiment (FuZE) di Zap Energy di temperature degli elettroni del plasma di 1-3 keV, all’incirca l’equivalente di 11-37 milioni di gradi Celsius.

A causa della capacità degli elettroni di raffreddare rapidamente un plasma, questa impresa è un ostacolo chiave per i sistemi di fusione e FuZE è il dispositivo più semplice, più piccolo e più economico 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, on-demand e priva di emissioni di carbonio in tutto il mondo.

“Si tratta di misurazioni meticolose e inequivocabili, ma effettuate su un dispositivo di dimensioni incredibilmente modeste rispetto agli standard di fusione tradizionali”, descrive Ben Levitt, VP of R&D di Zap.

“Abbiamo ancora molto lavoro davanti a noi, ma le nostre prestazioni fino ad oggi sono avanzate al punto che ora possiamo stare spalla a spalla con alcuni dei più importanti dispositivi di fusione del mondo, ma con grande efficienza e a una frazione della complessità e dei costi”.

FuZE è stato originariamente finanziato per la ricerca presso l’Università di Washington dall’Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Il dispositivo si è trasferito nelle strutture di ricerca e sviluppo dedicate di Zap Energy nel 2020, subito dopo la fondazione dell’azienda.

I risultati di questo documento sono stati raccolti nel 2022 in una collaborazione finanziata dall’ARPA-E con i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell’Università della California, San Diego (UCSD), che hanno guidato lo sviluppo del sistema di misurazione utilizzato per questi risultati.

“Nel corso di molti decenni di ricerca sulla fusione controllata, solo una manciata di concetti di fusione ha raggiunto la temperatura dell’elettrone di 1 keV”, osserva Scott Hsu, coordinatore della fusione principale 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 composto da due forme di idrogeno chiamate deuterio e trizio provoca la collisione e la fusione dei loro nuclei.

Quando lo fanno, le reazioni di fusione emettono circa 10 milioni di volte più energia per grammo 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 quella di creare più energia di fusione in uscita da queste 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 Z pinch, 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 comprendono.

Mentre la fusione Z-pinch è 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 tranciato.

“La dinamica è un meraviglioso atto di equilibrio della fisica del plasma”, spiega Levitt.

“Man mano che saliamo verso correnti di plasma sempre più elevate, ottimizziamo il punto debole in cui la temperatura, la densità e la durata del pizzicotto Z si allineano per formare un plasma di fusione stabile e ad alte prestazioni”.

I ricercatori misurano le temperature del plasma in unità di elettronvolt e possono misurare separatamente la temperatura degli ioni (nuclei) e degli elettroni del plasma.

Poiché gli ioni sono più di 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 a 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.

Gli elettroni nel plasma FuZE, tuttavia, hanno dimostrato di essere caldi quanto gli ioni, indicando che il plasma è in un sano equilibrio termico.

Inoltre, le misurazioni dettagliate di Zap mostrano che le temperature degli elettroni e la produzione di neutroni di 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 documento e gli ulteriori test che abbiamo fatto da allora, dipingono tutti un buon quadro generale di un plasma di fusione con spazio per scalare verso il guadagno di energia”, afferma Uri Shumlak, co-fondatore e Chief Scientist di Zap Energy.

“Lavorando a correnti più elevate, stiamo ancora assistendo a un flusso tranciato 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 nell’articolo 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 usano 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 una tecnica di misurazione critica per noi», osserva Levitt.

Sulla base delle misurazioni di questa collaborazione su centinaia di plasmi, Zap ora raccoglie regolarmente i dati di scattering Thomson su FuZE-Q, il suo dispositivo di ultima generazione.

Nessun magnete esterno, compressione o riscaldamento

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 costosi e complessi magneti superconduttori o potenti laser.

“La tecnologia Zap è ordini di grandezza meno costosa e più veloce da costruire rispetto ad altri dispositivi, permettendoci di iterare rapidamente e produrre i neutroni di fusione termica più economici in circolazione. Un’economia dell’innovazione convincente è fondamentale per lanciare un prodotto di fusione commerciale su una scala temporale che conta”, ha affermato Benj Conway, CEO e co-fondatore di Zap.

Nel 2022, nello stesso periodo in cui sono stati raccolti questi risultati di FuZE, Zap ha commissionato il suo dispositivo di nuova generazione FuZE-Q.

Sebbene i primi risultati di FuZE-Q siano ancora imminenti, il dispositivo ha un power bank con dieci volte l’energia immagazzinata rispetto a FuZE e la capacità di scalare a temperature e densità molto più elevate.

Nel frattempo, è in corso anche lo sviluppo parallelo di sistemi di centrali elettriche.

“Abbiamo iniziato Zap sapendo di avere una tecnologia unica e al di fuori dello status quo, quindi superare definitivamente questo limite di temperatura degli elettroni e vedere questi risultati in una delle principali riviste di fisica è una convalida importante”, afferma Conway.

“Abbiamo certamente grandi sfide davanti a noi, ma abbiamo tutti gli ingredienti per risolverle”.