La nouvelle génération de dispositifs de fusion atteint des pressions de plasma record dans un pincement Z stabilisé par écoulement cisaillé.
En opérant un nouveau dispositif nommé Fusion Z-pinch Experiment 3, ou FuZE-3, Zap Energy a maintenant atteint des plasmas avec des pressions électroniques aussi élevées que 830 mégapascals (MPa), soit 1,6 gigapascals (GPa) au total, comparables aux pressions trouvées profondément sous la croûte terrestre. Ces résultats représentent la performance de pression la plus élevée à ce jour dans un Z-pinch stabilisé par écoulement cisaillé et un marqueur important sur la voie du gain d’énergie scientifique, ou Q>1.
FuZE-3 est le premier dispositif de Zap à incorporer une troisième électrode pour séparer les forces qui entraînent l’accélération et la compression du plasma. Les détails des résultats préliminaires ont été présentés aujourd’hui lors de la réunion de la Division de Physique des Plasmas de l’American Physical Society à Long Beach, en Californie.
« Il y a des changements majeurs dans FuZE-3 par rapport aux systèmes précédents de Zap et c’est formidable de le voir performer aussi bien si rapidement dès le départ, » déclare Colin Adams, Chef de la Physique Expérimentale.
Sous Pression
Libérer de l’énergie à partir de la fusion nécessite une recette extrême de plasma chaud et dense. Atteindre des pressions élevées, une mesure qui combine la température avec la densité, est essentiel en fusion car plus la pression du plasma est élevée, plus les réactions de fusion se produisent et produisent de l’énergie. Alors que certaines machines à fusion visent les pressions les plus élevées possibles, d’autres comptent sur des temps de confinement plus longs pour compenser une faible pression. Les Z-pinch stabilisés par écoulement cisaillé de Zap visent un juste milieu qui équilibre à la fois la compression et le confinement.
La mesure de pression électronique la plus élevée de Zap à ce jour est de 830 MPa. Cependant, les plasmas sont plus que des électrons ; ils sont composés à la fois d’électrons et d’ions beaucoup plus lourds. Si la température des électrons et des ions est proche de l’égalité, comme on s’y attend, la pression totale du plasma (électrons et ions) est environ le double des mesures électroniques, soit 1,6 GPa. Un gigapascal représente environ dix mille fois la pression atmosphérique au niveau de la mer, ou dix fois la pression au fond de la fosse des Mariannes.
Les pressions ont été maintenues pendant environ une microseconde (un millionième de seconde) et ont été déterminées en utilisant une technique appelée diffusion Thomson optique, la référence absolue pour de telles mesures.
Les campagnes récentes de FuZE-3 incluent de multiples tirs répétés avec des densités électroniques dans la plage de 3-5×1024 m-3 et des températures électroniques supérieures à 1 keV (équivalent à 21 000 000 de degrés Fahrenheit).
« Ce fut un effort majeur de l’équipe qui a réussi grâce à un cycle étroitement couplé de prédictions théoriques, de modélisation computationnelle, d’ingénierie de construction et de test rapides, de validation expérimentale et d’expertise en mesure, » remarque Ben Levitt, Vice-Président de la R&D. « Avec un système plus petit, nous avons l’avantage de pouvoir bouger rapidement, et atteindre ces résultats dans des systèmes qui sont une fraction de la taille et du coût des dispositifs de fusion de performance comparable est une grande partie de ce qui rend cet accomplissement si significatif. »
Présentation de FuZE-3
FuZE-3 est la troisième génération des dispositifs FuZE, et le cinquième dispositif Z-pinch stabilisé par écoulement cisaillé. Le dispositif initial de Zap, FuZE, a été le premier à dépasser les températures de 1 keV et a maintenant été mis hors service. FuZE-Q, le dispositif de Zap aux performances les plus élevées en termes de puissance et de rendement en neutrons de fusion, reste en fonctionnement régulier aux côtés de FuZE-3.
FuZE-3 a été conçu pour atteindre de nouveaux niveaux de produit triple, une métrique importante en fusion qui est le mélange de trois mesures : densité, température et temps de confinement. De manière critique, il comprend trois électrodes et deux batteries de condensateurs.
Séparer l’accélération et la compression
Les tests chez Zap à ce jour ont reposé sur des systèmes avec une seule impulsion de courant électrique circulant entre deux électrodes. Cela signifie que la puissance injectée dans le dispositif doit accélérer le plasma pour fournir un écoulement stabilisateur ainsi que comprimer le plasma en un Z-pinch.
« La capacité de contrôler indépendamment l’accélération et la compression du plasma nous donne un nouveau cadran pour ajuster la physique et augmenter la densité du plasma, » explique Adams. « Les systèmes à deux électrodes ont été efficaces pour le chauffage, mais manquaient de la compression ciblée dans nos modèles théoriques. »
Bien que les nouvelles mesures démontrent des pressions très élevées, la physique de Zap est une forme de confinement magnétique quasi-stationnaire, et non la physique de fusion inertielle visée par les systèmes qui compriment une cible en nanosecondes en utilisant de vastes réseaux de lasers puissants (ou aussi dans certains cas des Z-pinch). Pour l’approche de Zap, contrôler l’accélération du plasma pour générer et maintenir un écoulement stabilisateur est aussi important que de contrôler la compression.
Visant des produits triple marquants
Les derniers résultats de Zap restent préliminaires alors que l’équipe poursuit des campagnes scientifiques actives sur FuZE-3. D’autres détails sont présentés cette semaine à la réunion APS DPP et l’équipe prévoit de publier les résultats de FuZE-3 dans la littérature scientifique dans les mois à venir.
« Nous commençons vraiment tout juste avec FuZE-3, » dit Levitt. « Il a été construit et mis en service très récemment, nous générons beaucoup de tirs de haute qualité avec une grande répétabilité, et nous avons une marge de manœuvre importante pour continuer à progresser rapidement dans les performances de fusion. Nous intégrerons les leçons de FuZE-3 dans nos systèmes de prochaine génération alors que nous continuons à avancer vers la fusion commerciale. »
Alors que les tests de FuZE-3 sont en cours, Zap prévoit de mettre en service un autre dispositif FuZE de prochaine génération, prévu pour être opérationnel cet hiver. L’ingénierie de la centrale se poursuit en parallèle, ancrée par la plateforme de démonstration Century.
À propos de Zap Energy
Zap Energy construit une plateforme d’énergie de fusion à faible coût, compacte et évolutive qui confine et comprime le plasma sans avoir besoin de bobines magnétiques coûteuses et complexes. La technologie Z-pinch stabilisée par écoulement cisaillé de Zap offre une économie de fusion convaincante et nécessite des capitaux d’un ordre de grandeur inférieur aux approches conventionnelles. Zap Energy compte 150 membres d’équipe à Seattle et San Diego et est soutenu par des investisseurs financiers et stratégiques de premier plan.
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