זאפ אנרג'י השיגה פריצת דרך בטכנולוגיית היתוך עם מכשיר ה-Z pinch שלה, FuZE, שמגיע לטמפרטורות אלקטרונים של 11 עד 37 מיליון מעלות צלזיוס, העולה על טמפרטורות השמש הליבה, בשבריר מהעלות והמורכבות של מערכות אחרות. הבזק אור בהיר מפזמת FuZE (Fusion Z-pinch Experiment). קרדיט: זאפ אנרג'י
מחקר חדש מתעד טמפרטורות אלקטרוניות שוברות שיא במכשיר היתוך Z-pinch קומפקטי, מיוצב בזרימה גזירה.
בתשעת העשורים מאז שבני האדם יצרו לראשונה תגובות היתוך, רק כמה טכנולוגיות היתוך הוכיחו את היכולת לבצע היתוך תרמי פְּלַסמָה עם טמפרטורות אלקטרונים חמות מ-10 מיליון מעלות צֶלסִיוּס, בערך הטמפרטורה של ליבת השמש. הגישה הייחודית של זאפ אנרג'י, הידועה כצביטה יציבה בזרימה גזירה, הצטרפה כעת לאותן שורות נדירות, וחורגת בהרבה מאבן דרך זו בטמפרטורת הפלזמה במכשיר שהוא חלק קטן מקנה המידה של מערכות היתוך אחרות.
מאמר מחקר חדש, שפורסם החודש ב מכתבי סקירה פיזית, פירוט המדידות שנעשו בניסוי ה- Fusion Z-pinch (FuZE) של זאפ אנרג'י של טמפרטורות אלקטרונים פלזמה של 1-3 keV – שווה ערך בערך ל-11 עד 37 מיליון מעלות צלזיוס (20 עד 66 מיליון מעלות פרנהייט). בשל יכולתם של האלקטרונים לקרר במהירות פלזמה, הישג זה מהווה מכשול מרכזי עבור מערכות היתוך ו-FuZE הוא המכשיר הפשוט, הקטן ביותר והמחיר הנמוך ביותר שהשיג אותו. הטכנולוגיה של Zap מציעה פוטנציאל לדרך קצרה ומעשית הרבה יותר למוצר מסחרי המסוגל לייצר אנרגיה בשפע, לפי דרישה, נטולת פחמן לעולם.
"אלו מדידות מדוקדקות וחד משמעיות, ובכל זאת נעשו במכשיר בקנה מידה צנוע להפליא לפי תקני היתוך מסורתיים", מתאר בן לויט, סמנכ"ל מו"פ בזאפ. "יש לנו עוד הרבה עבודה לפנינו, אבל הביצועים שלנו עד היום התקדמו לנקודה שבה אנחנו יכולים עכשיו לעמוד כתף אל כתף עם כמה ממכשירי ההיתוך הבולטים בעולם, אך ביעילות רבה, וב- חלק מהמורכבות והעלות".
FuZE מומן במקור עבור מחקר ב- אוניברסיטת וושינגטון על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים של משרד האנרגיה האמריקאי – אנרגיה (ARPA-E). המכשיר עבר למתקני המו"פ הייעודיים של זאפ אנרג'י בשנת 2020, זמן קצר לאחר הקמת החברה. התוצאות במאמר זה נאספו בשנת 2022 בשיתוף פעולה במימון ARPA-E עם חוקרים מהמעבדה הלאומית לורנס ליברמור (LLNL) ומאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו (UCSD), אשר עמדו בראש הפיתוח של מערכת המדידה המשמשת לתוצאות אלו.
"במשך עשורים רבים של מחקר היתוך מבוקר, רק קומץ מושגי היתוך הגיעו לטמפרטורת האלקטרונים של 1 keV", מציין Scott Hsu Lead Fusion Coordinator ב-DOE ומנהל תוכנית ARPA-E לשעבר. "מה שהצוות הזה השיג כאן הוא מדהים ומחזק את המאמצים של ARPA-E להאיץ את הפיתוח של אנרגיית היתוך מסחרית."
מרק חם
הצעד הראשון ליצירת התנאים להיתוך הוא יצירת פלזמה – "המצב הרביעי של החומר" האנרגטי שבו גרעינים ואלקטרונים אינם קשורים יחד לאטומים אלא זורמים בחופשיות במרק תת-אטומי. דחיסה וחימום של פלזמה העשויה משתי צורות של מימן הנקראות דיוטריום וטריטיום גורמים לגרעיניהם להתנגש ולהתמזג. כאשר הם עושים זאת, תגובות היתוך מוציאות בערך פי 10 מיליון יותר אנרגיה לאונקיה מאשר שריפת אותה כמות של פחם.
תגובות היתוך כאלה נצפו במעבדה במשך עשרות שנים בכמויות קטנות יחסית. עם זאת, האתגר הגדול הוא ליצור יותר אנרגיית היתוך פלט מאותן תגובות מאשר אנרגיית הקלט הנדרשת כדי ליזום אותן.
FuZE הוא המכשיר הפשוט, הקטן ביותר והמחיר הנמוך ביותר שהשיג טמפרטורות של אלקטרונים היתוך העולה על 30 מיליון מעלות, ומציע פוטנציאל למערכת אנרגיית היתוך מעשית וחסכונית יותר מאשר גישות אחרות. קרדיט: זאפ אנרג'י
הטכנולוגיה של זאפ אנרג'י מבוססת על ערכת כליאה פשוטה של פלזמה הידועה בשם צביטה Z, שבה זרמים חשמליים גדולים מתועלים דרך חוט דק של פלזמה. הפלזמה המוליכה יוצרת שדות אלקטרומגנטיים משלה, אשר גם מחממים וגם דוחסים אותה. בעוד היתוך Z-pinch נוסה מאז שנות ה-50, הגישה נבלמה במידה רבה על ידי אורך החיים של הפלזמות שלה, בעיה ש-Zap פתר על ידי הפעלת זרימה דינמית דרך הפלזמה, תהליך שנקרא ייצוב זרימה גזורה.
"הדינמיקה היא פעולת איזון נפלאה של פיזיקת הפלזמה", מסביר לויט. "כאשר אנו מטפסים לזרמי פלזמה גבוהים יותר ויותר, אנו מייעלים את הנקודה המתוקה שבה הטמפרטורה, הצפיפות ואורך החיים של צביטה Z מתואמים ליצירת פלזמה מיזוג יציבה עם ביצועים גבוהים."
צביטה בריאה
חוקרי היתוך מודדים את טמפרטורות הפלזמה ביחידות של אלקטרונים-וולט ויכולים למדוד את הטמפרטורה של יוני (גרעינים) ואלקטרונים של הפלזמה בנפרד. מכיוון שהיונים כבדים יותר מאלף מאלקטרונים, שני מרכיבי הפלזמה יכולים להתחמם ולהתקרר בקצבים שונים. מכיוון שהיונים הם מה שבסופו של דבר צריך לחמם לטמפרטורות היתוך, פיזיקאים בפלזמה חוששים לעתים קרובות ממצבים שבהם אלקטרונים קרים מגבילים את חימום היונים, כמו קוביות קרח במרק חם. לעומת זאת, האלקטרונים בפלזמת FuZE הוכחו כחמים כמו היונים, מה שמצביע על כך שהפלזמה נמצאת בשיווי משקל תרמי בריא.
יתרה מכך, המדידות המפורטות של זאפ מראות שטמפרטורות האלקטרונים וייצור נויטרונים היתוך מגיעים לשיא בו-זמנית. מכיוון שהנייטרונים הם תוצר ראשוני של יונים המתמזגים, תצפיות אלה תומכות ברעיון של פלזמה מתמזגת בשיווי משקל תרמי.
"התוצאות במאמר זה ובדיקות נוספות שעשינו מאז, כולן מציירות תמונה כללית טובה של פלזמת היתוך עם מקום להגדלה לקראת רווח אנרגיה", אומר אורי שומלק, מייסד שותף ומדען ראשי בזאפ אנרג'י. "בעבודה בזרמים גבוהים יותר, אנו עדיין רואים זרימה גזורה מאריכה את משך החיים של ה-Z-pinch ארוך מספיק כדי לייצר טמפרטורות גבוהות מאוד ואת תשואות הנייטרונים הנלוות שהיינו צופים מהמודל."
מידות תקן זהב
הטמפרטורות שדווחו במאמר נמדדו על ידי צוות של משתפי פעולה חיצוניים מ-LLNL ו-UCSD המיומנים בטכניקת מדידת פלזמה בשם פיזור תומסון. כדי לבצע פיזור תומסון, מדענים משתמשים בלייזר בהיר מאוד ומהיר מאוד כדי לירות פעימה של אור ירוק לתוך הפלזמה, שמתפזרת מהאלקטרונים ומספקת מידע על הטמפרטורה והצפיפות שלהם.
"אנו אסירי תודה במיוחד לצוות שיתוף הפעולה על העבודה שהם עשו כדי לסייע באיסוף הנתונים הללו ולחדד עבורנו טכניקת מדידה קריטית", מציין לויט. מיודע על המדידות של שיתוף הפעולה הזה על מאות פלזמות, זאפ אוספת כעת באופן שגרתי את נתוני תומסון מפזרת על FuZE-Q, המכשיר מהדור האחרון שלה.
ללא מגנטים חיצוניים, דחיסה או חימום
בניגוד לשתי גישות ההיתוך המרכזיות שהיו במוקד רוב מחקר ההיתוך בעשורים האחרונים, הטכנולוגיה של זאפ אינה דורשת מגנטים מוליכי-על יקרים ומורכבים או לייזרים חזקים. "טכנולוגיית Zap היא בסדרי גודל זולה ומהירה יותר לבנייה בהשוואה למכשירים אחרים, מה שמאפשר לנו לבצע פעולות חוזרות במהירות ולייצר את נויטרונים ההיתוך התרמי הזולים ביותר שיש. כלכלת חדשנות משכנעת היא חיונית להשקת מוצר היתוך מסחרי בטווח זמן חשוב", אמר בנג' קונווי, מנכ"ל ומייסד שותף של Zap.
בשנת 2022, באותו זמן שנאספו התוצאות הללו מ-FuZE, הזמינה זאפ את מכשיר הדור הבא שלה FuZE-Q. בעוד שתוצאות מוקדמות מ-FuZE-Q עדיין מגיעות, למכשיר יש בנק כוח עם פי עשרה מהאנרגיה המאוחסנת מ-FuZE ויכולת קנה מידה לטמפרטורות וצפיפות גבוהים בהרבה. בינתיים, מתנהל גם פיתוח מקביל של מערכות תחנות כוח.
"התחלנו את זאפ בידיעה שיש לנו טכנולוגיה שהיא ייחודית ומחוץ לסטטוס קוו, אז חציית רף טמפרטורת האלקטרונים הגבוהה הזו ולראות את התוצאות הללו בכתב עת מוביל לפיזיקה היא אימות מרכזי", אומר קונווי. "אין ספק שיש לנו אתגרים גדולים לפנינו, אבל יש לנו את כל המרכיבים לפתור אותם."
המחקר מומן על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים – אנרגיה.
