Um novo artigo apresenta métodos científicos para medir e calcular Q em uma pinça Z estabilizada por fluxo cisalhado.
A Zap Energy delineou sua abordagem única para medir o ganho líquido de energia, conhecido como Q, no desenvolvimento de energia de fusão, de acordo com um estudo recém-publicado. Os plasmas de fusão Z-pinch da empresa diferem significativamente de outras tecnologias de fusão, apresentando plasma 100.000 vezes mais denso e durando vários microssegundos a mais.
Na corrida para desenvolver a energia de fusão, cada abordagem única requer suas próprias técnicas especializadas para determinar o ganho líquido de energia, uma equação que equilibra a entrada e saída de energia conhecida pela letra Q.
Um novo artigo, publicado hoje (5 de junho) na revista Fusion Science and Technology, estabelece o método da empresa de medir e calcular Q nos plasmas de fusão Z-pinch estabilizados por fluxo cisalhado da Zap. A publicação será uma parte importante da Zap, demonstrando o ganho de energia no caminho para a construção de um sistema de fusão comercial.
“A forma como geramos plasmas de grau de fusão em nossos dispositivos é diferente de outras tecnologias de fusão, então este artigo ajuda a estabelecer as bases para quantificar nosso progresso”, diz Uri Shumlak, cofundador da Zap Energy, diretor científico e principal autor do artigo.
Uma abordagem distinta
Como outros dispositivos de fusão, a Zap Energy planeja fundir núcleos de hidrogênio dentro de um material chamado plasma que deve ser superaquecido a temperaturas mais altas que o sol. As propriedades do plasma podem ser medidas para determinar Q, ou ganho líquido de energia, em parte calculando seu produto triplo: quão quente e quão denso é um plasma e quanto tempo dura.
O produto triplo é útil ao comparar diferentes conceitos de fusão, como observar como os dispositivos Z-pinch estabilizados por fluxo cisalhado diferem dos dispositivos de fusão mais tradicionais, como o tokamak ou outras abordagens de fusão, e também pode ser usado como um proxy simplificado para q.
No caso do Zap, seus distintos plasmas Z-pinch são cerca de 100.000 vezes mais densos do que os dos tokamaks e duram muitos microssegundos. Um sistema pulsado está sendo projetado para criar plasmas repetidamente.
Os plasmas de Zap fluem em uma linha com material a diferentes distâncias da parte mais interna da linha, movendo-se em velocidades diferentes de suas bordas externas. Isso cria o que é chamado de estabilização de fluxo cisalhado, que mantém o plasma por tempo suficiente para que ocorram reações de fusão sustentadas. A estabilização de fluxo cisalhado permite que Zap confine plasmas sem ímãs externos, mas também leva à necessidade de medições e análises exclusivamente adequadas.
Medindo Q
Para calcular o produto triplo, o Zap mede a temperatura do plasma, sua densidade e a velocidade do fluxo para determinar a duração do confinamento do plasma. O cálculo correspondente de Q é a razão da potência de fusão (saída) para a potência de entrada e se compara estreitamente ao método usado para medir o ganho em outras abordagens de confinamento magnético, como o tokamak. Abordagens de confinamento inercial, como a demonstração do ano passado de Q>1 pelo Lawrence Livermore National Laboratory’s National Ignition Facility, produzem plasmas de vida curta e definem Q como a razão entre a energia de fusão e a energia de entrada.
A principal diferença entre potência e energia é que potência é a energia por unidade de tempo. Uma vez que os plasmas de Zap estão confinados a prazos que se situam entre as abordagens tradicionais de fusão magnética e inercial, a escolha de calcular Q com base na potência é uma distinção importante.
“Publicar esses detalhes técnicos é muito importante. Você não pode simplesmente jogar um termômetro em um plasma de fusão para ver o que está acontecendo, então, em vez disso, usamos uma combinação de observações diretas e indiretas que ajudam a dar uma imagem das condições”, diz Ben Levitt, vice-presidente de P&D da Zap Energy. “Este artigo nos dá a chance de garantir que outros físicos concordem que nossa metodologia está em conformidade com o que foi estabelecido ao longo dos anos na comunidade de fusão e estabelece a maneira como planejamos relatar nossos resultados em um futuro próximo”.
Nuances de pinça em Z
O documento inclui vários detalhes específicos da abordagem de fusão do Zap. Um dos mais importantes é contabilizar a potência de entrada necessária para conduzir o fluxo de plasma estabilizador.
O artigo também observa que, para beliscões de alto desempenho, é provável que um produto energético das reações de fusão, chamadas partículas alfa, seja preso e aumente o ganho de fusão compensando parte da energia de entrada necessária.
Zap planeja correlacionar as observações das condições do plasma com as medições dos nêutrons sendo emitidos. Como os nêutrons são um produto primário das reações de fusão, os cientistas esperam que eles aumentem quando as condições de fusão forem adequadas e diminuam quando não forem.
A Zap conseguiu os primeiros plasmas em seu aparelho de quarta geração, o FuZE-Q, em maio passado. As campanhas de P&D estão em andamento usando o FuZE-Q. A equipe do Zap analisará os resultados do FuZE-Q e de seu predecessor FuZE enquanto eles avançam para demonstrar os primeiros plasmas Z-pinch estabilizados por fluxo cisalhado capazes de Q>1.
Publicado em 08/06/2023 14h49
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