Uma máquina de fusão compacta alcançou pressões de gigapascal

FuZE-3 é também o primeiro sistema da Zap a usar um terceiro eletrodo, que permite que os mecanismos responsáveis pela aceleração e compressão do plasma sejam controlados de forma independente. Os primeiros resultados foram compartilhados durante a reunião da Divisão de Físicas de Plasma da American Physical Society em Long Beach, Califórnia.

“Houve grandes mudanças no FuZE-3 em comparação com os sistemas anteriores da Zap e é ótimo ver que ele está performando tão bem tão rapidamente”, diz Colin Adams, Chefe de Física Experimental.

Por que Pressão Extrema é Importante para a Fusão

Produzir energia a partir de fusão exige um plasma que seja tanto extremamente quente quanto extremamente denso. A pressão, que reflete tanto a temperatura quanto a densidade, desempenha um papel central, pois uma pressão mais alta permite que mais reações de fusão ocorram. Alguns sistemas de fusão se concentram em alcançar as pressões mais altas possíveis, enquanto outros compensam mantendo o plasma confinado por períodos mais longos. O Z pinch estabilizado por fluxo cisalhado da Zap busca um equilíbrio entre forte compressão e confinamento sustentado.

A medição de pressão eletrônica em um único disparo da equipe até agora é de 830 MPa. Como o plasma contém elétrons e íons muito mais pesados, e ambos devem alcançar temperaturas similares, a pressão total do plasma (elétrons e íons) é estimada em cerca de 1,6 GPa. Para colocar isso em perspectiva, um gigapascal é aproximadamente dez mil vezes a pressão da atmosfera terrestre ao nível do mar, ou cerca de dez vezes a pressão no fundo da Fossa das Marianas.

Essas pressões foram mantidas por cerca de um microssegundo (um milionésimo de segundo) e medidas usando dispersão de Thomson óptica, uma técnica considerada o método mais confiável para determinar as condições do plasma.

Experimentos recentes com o FuZE-3 produziram múltiplos disparos repetíveis com densidades eletrônicas entre 3-5×10²⁴ m^-3 e temperaturas eletrônicas acima de 1 keV (equivalente a 21.000.000 graus Fahrenheit).

“Esse foi um grande esforço da equipe que teve sucesso devido a um ciclo de predições teóricas, modelagem computacional, engenharia de construção e teste rápido, validação experimental e expertise em medição muito bem coordenados”, afirma Ben Levitt, Vice-Presidente de P&D. “Com um sistema menor, temos a vantagem de poder agir rapidamente, e alcançar esses resultados em sistemas que são uma fração do tamanho e custo dos dispositivos de fusão de desempenho comparável é uma parte importante do que torna essa conquista tão significativa.”

Projetando o FuZE-3 para Maior Desempenho em Fusão

FuZE-3 é a terceira versão da plataforma FuZE e o quinto dispositivo Z-pinch estabilizado por fluxo cisalhado que a Zap construiu. A máquina FuZE original, que foi a primeira a alcançar temperaturas acima de 1 keV, foi posteriormente aposentada. O FuZE-Q, que permanece em operação, é atualmente o principal desempenho da empresa em termos de potência e produção de nêutrons de fusão.

O objetivo do FuZE-3 é alcançar valores mais altos do produto triplo, uma métrica chave de fusão que combina densidade, temperatura e tempo de confinamento. Para apoiar isso, o sistema inclui três eletrodos e dois bancos de capacitores.

Controle Independente da Aceleração e Compressão

Testes anteriores de Z-pinch na Zap dependiam de um único pulso elétrico movendo-se entre dois eletrodos, o que exigia a mesma fonte de energia para arrancar o plasma para criar um fluxo estabilizador e comprimí-lo em um Z pinch.

“A capacidade de controlar de forma independente a aceleração e compressão do plasma nos dá um novo ajuste para afinar a física e aumentar a densidade do plasma”, diz Adams. “Os sistemas de dois eletrodos foram eficazes em aquecer, mas faltavam a compressão que visamos em nossos modelos teóricos.”

Embora os novos dados mostrem pressões muito altas, a abordagem da Zap é baseada no confinamento magnético quasi-estacionário. Isso é diferente dos sistemas de fusão inercial que dependem de pulsos intensos, de longo nanosegundo, de grandes arrays de lasers (ou em alguns casos, outros Z-pinches) para rapidamente esmagar um alvo. Para o método da Zap, controlar o fluxo estabilizador que mantém o plasma comportado é tão crítico quanto alcançar uma forte compressão.

Progresso Inicial e a Busca por Maiores Produtos Triplos

As descobertas mais recentes da Zap com o FuZE-3 ainda são preliminares, enquanto a equipe continua campanhas experimentais ativas. Informações adicionais estão sendo compartilhadas na reunião da APS DPP, e o grupo pretende publicar resultados detalhados em revistas científicas nos próximos meses.

“Estamos realmente apenas começando com o FuZE-3”, diz Levitt. “Foi construído e comissionado recentemente, estamos gerando muitos disparos de alta qualidade com alta repetibilidade e temos muito espaço para continuar fazendo progresso rápido em desempenho de fusão. Integraremos as lições do FuZE-3 em nossos sistemas de próxima geração enquanto continuamos avançando em direção à fusão comercial.”

Os testes com o FuZE-3 continuarão enquanto a Zap se prepara para colocar outro dispositivo FuZE de próxima geração em funcionamento neste inverno. O trabalho em futuros sistemas de usinas está progredindo ao mesmo tempo, apoiado pela plataforma de demonstração Century.

Sobre a Zap Energy

A Zap Energy está desenvolvendo um sistema de fusão compacto e de menor custo que confina e comprime plasma sem as grandes e complexas bobinas magnéticas usadas em muitas outras abordagens. A tecnologia de Z-pinch estabilizado por fluxo cisalhado da empresa promete uma economia de fusão mais favorável e requer muito menos capital do que os projetos convencionais. A Zap Energy emprega 150 pessoas em Seattle e San Diego e conta com o apoio de investidores estratégicos e financeiros de destaque.