Fusie-energieapparaat bereikt temperatuur van 37 miljoen graden

Een kleinschalig en compact apparaat, Fuze, gebouwd door de Amerikaanse startup Zap Energy heeft plasma elektron temperaturen bereikt van 1-3 keV (zo’n 11 tot 37 miljoen graden Celsius).

In de bijna honderd jaar dat de mensheid met fusiereacties werkt, hebben slechts enkele technologieën plasmafusietemperaturen bereikt van meer dan 15 miljoen graden Celsius, de temperatuur van de kern van onze zon. FuZe is ook nog goedkoop en compact.

De eerste stap van het kernfusieproces is het genereren van plasma. Omdat het fusieplasma uit twee componenten bestaat die qua massa aanzienlijk variëren, verwarmen en koelen ze met verschillende snelheden. De snel afkoelende elektronen kunnen de verwarming van het plasma beperken, een hindernis in de ontwikkeling van fusiereactoren.

FuZe-plasma

Het Department of Energy van Amerika financierde eerdere werk op dit gebied van de Universiteit van Washington. Uit dit onderzoek werd Zap Energy afgesplitst. Het maakt gebruik van een plasma-opsluitingsschema genaamd het Fusion Z-pinch Experiment (FuZe) om ervoor te zorgen dat elektronen niet snel afkoelen. Bij deze benadering worden grote elektrische stromen door dunne plasmafilamenten geleid, waardoor de elektromagnetische velden van het plasma worden gegenereerd die het plasma verwarmen terwijl het wordt gecomprimeerd. Het probleem met deze aanpak was dat de resulterende plasma’s van korte duur waren.

Zap Energy heeft dit aangepakt door een dynamische stroom door het plasma toe te passen, een proces dat sheared-flow stabilisatie wordt genoemd. “De dynamiek is een prachtige evenwichtsoefening in de plasmafysica”, zegt Ben Levitt, vice-president R&D. “Terwijl we naar steeds hogere plasmastromen klimmen, optimaliseren we de ‘sweet spot’ waar de temperatuur, dichtheid en levensduur van de Z-knijp op één lijn liggen om een stabiel, krachtig smeltplasma te vormen.”

Recordtemperaturen

Onderzoekers kunnen nu de temperatuur van de kernen en elektronen in de hete subatomaire soep van plasma afzonderlijk meten. Zap Energy werkte samen met onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en de University of California, San Diego (UCSD) om de temperatuur van de elektronen van FuZe te meten.

Bij een aanpak die Thomson-verstrooiing wordt genoemd, vuurden de onderzoekers zeer snel heldere pulsen van groen licht op het plasma af. Ze maten de verstrooiing van de elektronen en hun temperatuur. De metingen bevestigden dat de elektronen in het FuZe-plasma net zo heet waren als de kernen, en dat het plasma een gezond thermisch evenwicht handhaafde.

Geen supergeleidende magneten of krachtige laser

In tegenstelling tot andere fusietechnologieën waarmee wordt geëxperimenteerd, heeft FuZe geen supergeleidende magneten of krachtige lasers nodig om zijn plasma te genereren, waardoor het een zeer kosteneffectieve aanpak is.

“Zap-technologie is een orde van grootte goedkoper en sneller te bouwen dan andere apparaten, waardoor we snel kunnen itereren en de goedkoopste thermische fusie-neutronen kunnen produceren die er zijn”, zegt Benj Conway, CEO en mede-oprichter van Zap. “Boeiende innovatie-economie is essentieel voor het lanceren van een commercieel fusieproduct op een tijdschaal die er toe doet.”

De resultaten van de FuZe zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

Intussen is het team zijn volgende project gestart, Fuze-Q, dat een energiecapaciteit heeft die tien keer groter is dan FuZe en veel hogere temperaturen kan bereiken.