Cientistas confirmam fusão termonuclear em dispositivo de fluxo cisalhamento Z-pinch

Em resultados que podem ajudar a avançar em outro “caminho viável” para a energia de fusão, pesquisas lideradas por físicos do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) demonstraram a presença de nêutrons produzidos por meio de reações termonucleares do dispositivo de fluxo fixo Z-pinch.

Pesquisadores usaram técnicas avançadas de modelagem computacional e instrumentação de diagnóstico aprimoradas no LLNL para resolver um problema de décadas de distinguir nêutrons que eles produzem reações termonucleares daqueles resultantes da instabilidade induzida por feixe de íons do plasma no sistema de fusão magnética inercial.

Embora a pesquisa anterior da equipe tenha mostrado que os nêutrons medidos a partir de dispositivos de cisalhamento de fluxo montados em Z eram “compatíveis com a produção termonuclear, ainda não demonstramos totalmente isso”, disse o físico do LLNL Drew Higginson, um dos coautores da pesquisa recentemente. publicado em Física de plasma.

“Esta é uma evidência direta de que a fusão termonuclear produz esses nêutrons e não os íons da instabilidade do feixe”, disse Higginson, pesquisador principal da equipe Portable and Adaptive Neutron Diagnostics (PANDA) que conduz pesquisas sob a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Energia do Departamento de Energia. Acordo de Cooperação Energética (ARPA-E). “Não foi demonstrado que eles terão um ganho de energia, mas é um resultado promissor que indica que eles estão em um caminho positivo.”

O físico do LLNL, James Mitrani, foi o principal autor do trabalho de pesquisa, que mostra como o amplo escopo da pesquisa in vitro beneficia a comunidade de fusão maior além dos grandes avanços feitos pela National Ignition Foundation (NIF) do LLNL, o sistema de laser mais ativo do mundo.

“A pesquisa se concentrou apenas neste único dispositivo, mas as técnicas e conceitos gerais são aplicáveis ​​a muitos dispositivos de fusão no sistema de fusão de inércia mesomagnética”, disse Mitrani. Ele observou que o sistema opera na área entre instalações de fusão a laser, como o NIF e o Omega Laser Facility da Universidade de Rochester, e dispositivos de fusão que confinam plasmas a um sistema puramente magnético, como o ITER (um projeto multinacional no sul França), SPARC (em construção perto de Boston).) ou outros dispositivos Tokamak.

Desde agosto, o NIF causou alvoroço em toda a comunidade científica global porque seu experimento de fusão de autoconfinamento (ICF) rendeu 1,35 megajoules (MJ) de energia. A conquista levou os pesquisadores ao limite de ignição – definido pela Academia Nacional de Ciências e pela Administração Nacional de Segurança Nuclear quando uma explosão NIF produz mais energia de fusão do que a quantidade de energia laser entregue ao alvo. Este instantâneo precede o progresso que os pesquisadores do LLNL fizeram para alcançar o estado de plasma queimado em experimentos de laboratório.

A fusão é a fonte de energia encontrada no sol, estrelas e armas termonucleares. Os experimentos ICF do NIF concentram 192 feixes de laser em um pequeno alvo para comprimir e aquecer isótopos de hidrogênio parcialmente congelados dentro de uma cápsula de combustível, criando uma implosão que replica as condições de pressão e temperatura encontradas apenas nos núcleos de estrelas e planetas gigantes e na explosão de energia nuclear armas. As máquinas de compressão em forma de Z realizam a fusão usando um forte campo magnético para confinar e “comprimir” o plasma.

O conceito Z-pinch é um design relativamente simples que existe como modelo teórico desde a década de 1930. Mas Higginson observou que tem uma longa história de “terrível instabilidade” que impediu a capacidade de gerar as condições necessárias para ganhos líquidos de energia de fusão.

Na década de 1990, os cientistas do LLNL começaram a trabalhar com pesquisadores da Universidade de Washington (UW) para impulsionar outro caminho promissor para a ignição, o conceito estável de Z-pinch de fluxo cortado. Em vez dos poderosos ímãs de fixação usados ​​em outros dispositivos Z-pinch, os dispositivos Z-pinch com fluxo cisalhado usam uma corrente elétrica pulsada para gerar um campo magnético que flui através de uma coluna de plasma para reduzir a instabilidade da fusão.

“O problema com a instabilidade é que ela não cria uma rota viável para a produção de energia, enquanto a fusão termonuclear sim”, disse Higginson. “Diagnosticar essa diferença sempre foi um desafio, principalmente no caso de uma cepa em forma de Z”.

Em 2015, os pesquisadores do LLNL e da UW receberam um acordo colaborativo ARPA-E de US$ 5,28 milhões para testar a física de estabilização de disco em energias e correntes de pressão mais altas no projeto Fusion Z-Pinch Experiment (FuZE) da universidade.

Sob um acordo de colaboração subsequente para o “Power Team” da ARPA-E, os pesquisadores do LLNL se concentraram em diagnósticos que medem as emissões de nêutrons geradas durante o processo de fusão, incluindo as localizações espaciais e perfis temporais dessas emissões. Combinar a experiência em diagnóstico de plasma de laboratórios nacionais com a operação rápida de empresas privadas baseia-se em cada um de seus pontos fortes individuais e é um objetivo fundamental do Programa de Equipe de Capacidade de Integração ARPA-E.

Com o raio do cilindro FuZE estreitando para aumentar pressãotambém causará mergulhos no plasma que gerarão campos magnéticos muito mais fortes que causarão plasma Para ajustar mais para dentro em certas áreas do que em outras. Assim como as pontas comprimidas da famosa carne moída tubular, a instabilidade da indesejada “linguiça” criaria feixes de íons mais rápidos que produzem nêutrons que poderiam ser confundidos com os desejáveis ​​nêutrons produzidos por uma termonuclear.

Os pesquisadores do LLNL colocaram dois detectores de plástico piscando fora do dispositivo para medir os efeitos de nêutrons Porque eles apareceram em alguns microssegundos de diferentes pontos e ângulos fora da câmara Z-pinch.

“Mostramos que as energias dos nêutrons emitidos eram iguais em diferentes pontos ao redor deste dispositivo, o que indica a presença de energia termonuclear. fusão feedback”, disse Matrani.

A análise envolveu criar gráficos dos pulsos de nêutrons detectados pelos polidores e compará-los usando métodos como simulações computadorizadas de Monte Carlo que examinam todos os resultados possíveis.

O diagnóstico não é novo, disse Higginson, mas “a ideia de usar gráficos de energias de pulsos de nêutrons individuais para medir a anisotropia – a diferença de energias quando você olha em direções diferentes – é uma nova tecnologia e é algo em que pensamos , desenvolvido e implementado aqui. Além disso, estamos trabalhando com a Universidade da Califórnia em Berkeley, que nos ajudou a aprimorar a capacidade de modelagem para resolver incertezas nas medições e entender completamente os dados que vemos. Não analisamos apenas os dados .”

O trabalho de pesquisa, “Emissão de nêutrons térmicos do fluxo de cisalhamento Z-pinch”, foi publicado em novembro e publicado a partir de uma palestra convidada pela Mitrani apresentada na Reunião Anual da Sociedade Americana de Física – Divisão de Física de Plasma em 2020.

Ele foi acompanhado pelo colega de Mitrani e Higginson, Harry MacLean, na Liga LLNL; Joshua Brown e Thibault Laplace da Universidade da Califórnia, Berkeley; Bethany Goldblum da Universidade da Califórnia, Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory; e Elliot Clavo, Zach Draper, Eleanor Forbes, Ray Goolingo, Brian Nelson, Uri Shumlak, Anton Stepanov, Tobin Weber e Yu Zhang da Universidade de Washington.

A busca resultou de uma startup privada em Seattle chamada Zap Energy em 2017.

A busca continua sob novas concessões, com medições mais detalhadas feitas por 16 detectores enquanto a Zap Energy continua seus experimentos.

“Queremos nos envolver porque não sabemos que surpresas podem vir”, disse Higginson. “Pode acontecer que quando você vai para uma corrente mais alta, de repente você começa a empurrar a instabilidade para trás. Queremos ser capazes de mostrar que à medida que a corrente sobe é possível manter alta qualidade e estabilidade.”