Dans un article publié dans Fusion Science and Technology, Zap Energy a défini sa méthodologie pour mesurer et calculer le gain net d’énergie, ou Q, dans les plasmas de fusion Z-pinch stabilisés par des flux cisaillés. Il s’agit d’une étape importante vers la démonstration du gain énergétique dans le développement de l’énergie de fusion. Crédit : Zap Energy
Un nouvel article expose les méthodes scientifiques permettant de mesurer et de calculer le Q dans une pince Z stabilisée par un flux cisaillé.
Zap Energy a présenté son approche unique pour mesurer le gain net d’énergie, connu sous le nom de Q, dans le développement de l’énergie de fusion, selon une étude récemment publiée. Les plasmas de fusion par pincement en Z de la société diffèrent considérablement des autres technologies de fusion, avec un plasma 100 000 fois plus dense et une durée de vie plus longue de plusieurs microsecondes.
Dans la course au développement de l’énergie de fusion, chaque approche unique nécessite ses propres techniques spécialisées pour déterminer le gain net d’énergie, une équation équilibrant l’entrée et la sortie d’énergie, connue sous la lettre Q.
Un nouvel article, publié aujourd’hui (5 juin) dans la revue Fusion Science and Technology, établit la méthode de l’entreprise pour mesurer et calculer Q dans les plasmas de fusion Z-pinch stabilisés par flux cisaillés de Zap. Cette publication constituera un élément important de la démonstration par Zap du gain d’énergie sur la voie de la construction d’un système de fusion commercial.
« La façon dont nous générons des plasmas de qualité fusion dans nos dispositifs est différente de celle des autres technologies de fusion. Cet article contribue donc à jeter les bases de la quantification de nos progrès », déclare Uri Shumlak, cofondateur de Zap Energy, directeur scientifique et auteur principal de l’article.
Suffisamment chaud, suffisamment dense, suffisamment longtemps – les trois variables que sont la température, la densité et le temps sont collectivement connues dans le domaine de la fusion sous le nom de « triple produit ». Bien qu’il existe différentes manières de créer la fusion, toutes doivent augmenter le triple produit pour obtenir des gains énergétiques nets. Crédit : Zap Energy
Sommaire
Une approche originale
Comme d’autres dispositifs de fusion, Zap Energy prévoit de fusionner des noyaux d’hydrogène dans un matériau appelé plasma, qui doit être surchauffé à des températures supérieures à celles du soleil. Les propriétés du plasma peuvent être mesurées pour déterminer le Q, ou gain net d’énergie, en partie en calculant leur triple produit : la température et la densité du plasma, ainsi que sa durée.
Le triple produit est utile pour comparer différents concepts de fusion, par exemple pour étudier les différences entre les dispositifs de pincement en Z à flux cisaillé et stabilisé et les dispositifs de fusion plus traditionnels, tels que le tokamak, ou d’autres approches de la fusion, et peut également être utilisé comme une approximation simplifiée du Q.
Zap Energy crée la fusion dans un filament de plasma de moins de deux pieds de long. L’image en médaillon est une photo prise par une caméra à grande vitesse d’un plasma dans le dispositif de Zap. Crédit : Zap Energy
Dans le cas de Zap, ses plasmas Z-pinch caractéristiques sont environ 100 000 fois plus denses que ceux des tokamaks et durent plusieurs microsecondes. Un système pulsé est en cours de conception pour créer des plasmas de manière répétée.
Les plasmas de Zap s’écoulent en ligne, les matériaux situés à différentes distances de la partie la plus interne de la ligne se déplaçant à différentes vitesses par rapport à ses bords extérieurs. Cela crée ce que l’on appelle une stabilisation par flux cisaillé, qui maintient le plasma suffisamment longtemps pour que des réactions de fusion soutenues se produisent. La stabilisation par flux cisaillé permet à Zap de confiner les plasmas sans aimants externes, mais elle nécessite également des mesures et des analyses adaptées.
Mesure de Q
Pour calculer le triple produit, Zap mesure la température du plasma, sa densité et la vitesse d’écoulement afin de déterminer la durée du confinement du plasma. Le calcul correspondant de Q est le rapport entre la puissance de fusion (sortie) et la puissance d’entrée et se compare étroitement à la méthode utilisée pour mesurer le gain dans d’autres approches de confinement magnétique, telles que le tokamak. Les méthodes de confinement inertiel, comme la démonstration de Q>1 réalisée l’année dernière par la National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory, produisent des plasmas de courte durée et définissent Q comme le rapport entre l’énergie de fusion et l’énergie d’entrée.
Zap Energy améliore les performances du plasma de fusion à l’intérieur de son dispositif FuZE-Q. Crédit : Zap Energy
La principale différence entre la puissance et l’énergie est que la puissance est l’énergie par unité de temps. Comme les plasmas de Zap sont confinés pour des durées qui se situent entre les approches traditionnelles de la fusion magnétique et de la fusion inertielle, le choix de calculer Q sur la base de la puissance est une distinction importante.
« La publication de ces détails techniques est très importante. Il ne suffit pas de plonger un thermomètre dans un plasma de fusion pour voir ce qui se passe. Nous utilisons donc une combinaison d’observations directes et indirectes qui nous permettent de nous faire une idée des conditions », explique Ben Levitt, vice-président de Zap Energy chargé de la recherche et du développement. « Cet article nous donne l’occasion de nous assurer que d’autres physiciens reconnaissent que notre méthodologie est conforme à ce qui a été établi au fil des ans dans la communauté de la fusion et définit la manière dont nous prévoyons de communiquer nos résultats dans un avenir proche.
Nuances du pincement en Z
Le document contient un certain nombre de détails spécifiques à l’approche de fusion de Zap. L’un des plus importants est la prise en compte de la puissance d’entrée nécessaire pour alimenter le flux de plasma stabilisateur.
Le document indique également que pour les pinces à haute performance, il est probable qu’un produit énergétique des réactions de fusion, appelé particules alpha, soit piégé et augmente le gain de fusion en compensant une partie de la puissance d’entrée requise.
Zap prévoit d’établir une corrélation entre les observations des conditions du plasma et les mesures des neutrons émis. Les neutrons étant un produit primaire des réactions de fusion, les scientifiques s’attendent à ce qu’ils augmentent lorsque les conditions de fusion sont bonnes et qu’ils diminuent lorsqu’elles ne le sont pas.
Zap a réalisé les premiers plasmas sur son dispositif de quatrième génération, FuZE-Q, en mai dernier. Des campagnes de recherche et développement sont actuellement en cours avec FuZE-Q. L’équipe Zap analysera les résultats de FuZE-Q et de son prédécesseur FuZE en vue de démontrer les premiers plasmas Z-pinch stabilisés par un flux cisaillé et capables d’atteindre un Q>1.
Référence : « Fusion Gain and Triple Product for the Sheared-Flow-Stabilized Z Pinch » 5 juin 2023, Fusion Science and Technology.
DOI: 10.1080/15361055.2023.2198049
Zap Energy construit une plateforme d’énergie de fusion peu coûteuse, compacte et évolutive qui confine et comprime le plasma sans avoir recours à des bobines magnétiques coûteuses et complexes. La technologie Z-pinch de Zap, stabilisée par un flux cisaillé, offre une économie de fusion convaincante et nécessite des ordres de grandeur de capital en moins que les approches conventionnelles. Zap Energy compte plus de cent membres d’équipe dans deux installations près de Seattle et bénéficie du soutien d’investisseurs financiers et stratégiques de premier plan.