新的研究报告记录了小型剪切流稳定Z-pinch聚变装置的电子温度新纪录。
自从人类首次产生聚变反应九十多年来，只有少数几种聚变技术展示了制造比太阳核心温度还要高的超过1,000万摄氏度的热聚变等离子体的能力。Zap Energy采用的独特方法，即剪切流稳定的Z-pinch，现已加入这个稀有的行列，其实现的等离子体温度远超这一里程碑，并且所用设备的规模只是其竞争对手的一小部分。
本月发表在《物理评论快报》上的一篇新研究论文详细记录了在Zap Energy的FuZE装置上测量的1-3 keV等离子体电子温度——大约相当于1,100万至3,700万摄氏度（2,000万至6,600万华氏度）。由于电子能快速冷却等离子体，这一壮举是聚变系统的关键难点，而FuZE是实现这一目标的最简单、最小型且成本最低的设备。Zap的技术提供了通向能够生产大量、按需、无碳能源的商业产品的更短且更实际的路径。
Zap的研发副总裁Ben Levitt描述说：“这些是在传统聚变标准下规模极其适中的设备上进行的精细、明确的测量。我们仍有许多工作要做，但我们到目前为止的表现已进步到我们现在可以与世界上一些一流的聚变设备并肩而立，但以更高的效率，并以更低的复杂性和成本。”
FuZE最初是由美国能源部的高级研究项目局－能源（ARPA-E）资助在华盛顿大学进行研究的。该设备于2020年，也就是公司成立后不久，转移到Zap Energy专用的研发设施。本文中的结果是在2022年由ARPA-E资助，与劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员合作收集的，这些研究人员主导了用于这些结果的测量系统的开发。
美国能源部首席聚变协调员Scott Hsu指出：“在几十年的受控聚变研究中，只有少数聚变概念达到了1 keV电子温度。这个团队在这里取得的成就是非凡的，并且增强了ARPA-E加速商业聚变能源开发努力的信心。”
Zap Energy的团队解释了剪切流稳定Z-pinch聚变的前景
产生聚变条件的第一步是生成等离子体——一种原子核和电子未结合成原子而自由流动的亚原子“第四状态物质”。将由两种形式的氢——氘和氚制成的等离子体压缩和加热会导致其核心碰撞并融合。当它们融合时，聚变反应释放的能量大约是燃烧同等量煤的能量的1,000万倍。
这种聚变反应在实验室中已被观察到几十年了，但总是以相对较小的数量出现。然而，最大的挑战是创造出超过启动它们所需输入能量的输出聚变能量。
Zap Energy的技术基于一种简单的等离子体约束方案，称为Z-pinch，其中大电流通过等离子体的细长丝流动。导电的等离子体产生自身的电磁场，这既加热又压缩它。尽管自1950年代以来已经对Z-pinch聚变进行了实验，但该方法大多因其等离子体寿命短而受阻，这是Zap通过应用通过等离子体的动态流动，一种称为剪切流稳定的过程所解决的问题。
Levitt解释说：“这些动态是等离子体物理的精彩平衡行为。随着我们将等离子体电流提高到越来越高，我们优化了温度、密度和Z-pinch寿命的最佳点，形成了一个稳定、高性能的聚变等离子体。”
FuZE是实现超过3000万度的聚变电子温度的最简单、最小型及成本最低的设备，为比其他方法更实用和成本效益更高的聚变能源系统提供了潜力。
健康的钳压
聚变研究人员以电子伏特为单位测量等离子体温度，可以分别测量等离子体的离子（原子核）和电子的温度。由于离子比电子重超过一千倍，等离子体的这两个组成部分可以以不同的速率加热和冷却。由于最终需要加热到聚变温度的是离子，等离子体物理学家常常担心冷电子限制离子加热的情况，就像热汤中的冰块一样。然而，FuZE等离子体中的电子被证明与离子一样热，表明等离子体处于健康的热平衡状态。
此外，Zap的详细测量显示，电子温度和聚变中子产生同时达到高峰。由于中子是聚变离子的主要产物，这些观察结果支持了等离子体处于热平衡状态的观点。
“本文的结果和我们此后进行的进一步测试都描绘了一个向能量增益规模扩展的聚变等离子体的良好整体图景，”Zap Energy的联合创始人兼首席科学家Uri Shumlak说。“在更高的电流下工作，我们仍然看到剪切流延长了Z-pinch的寿命周期，足以产生非常高的温度和我们从模型预测的相关中子产量。”
黄金标准测量
该论文中报告的温度是由来自LLNL和UCSD的外部协作者团队测量的，他们擅长一种称为汤姆逊散射的等离子体测量技术。在进行汤姆逊散射时，科学家们使用非常明亮、非常快的激光发射一束绿光脉冲进入等离子体，该光脉冲会从电子上散射出来，提供有关它们的温度和密度的信息。
“我们特别感谢协作团队所做的工作，帮助我们收集这些数据并完善了一种关键的测量技术，”Levitt指出。在这次合作的测量中，Zap现在已在其最新一代设备FuZE-Q上常规收集汤姆逊散射数据。
温度是通过向等离子体中发射一束非常快、非常明亮的绿色激光脉冲来测量的，该脉冲会从电子上散射出来，提供有关它们温度和密度的信息。
无需外部磁体、压缩或加热
与近几十年来一直是聚变研究重点的两种主流聚变方法不同，Zap的技术不需要昂贵复杂的超导磁体或强大的激光。“Zap的技术比其他设备便宜几个数量级，也更快地建造，这使我们能够迅速迭代，并生产出最便宜的热聚变中子。引人注目的创新经济学对于在重要时间表上推出商业聚变产品至关重要，”Zap的首席执行官兼联合创始人Benj Conway说。
2022 年，在收集 FuZE 的这些结果的同时，Zap委托了其下一代设备 FuZE-Q。虽然 FuZE-Q 的早期结果尚未公布，但该设备的移动电源的存储能量是 FuZE 的十倍，并且能够扩展到更高的温度和密度。与此同时，电站系统的并行开发也在进行中。
“我们成立Zap是因为我们知道我们拥有的技术是独一无二的，不符合现状，所以在一本顶尖物理期刊上看到这些高电子温度的标记和这些结果是一个重大的验证，”Conway说。“我们当然面临巨大的挑战，但我们拥有解决它们的所有条件。”
关于Zap Energy
Zap Energy正在建造一个低成本、紧凑且可扩展的聚变能源平台，该平台无需昂贵复杂的磁线圈就能限制和压缩等离子体。Zap的剪切流稳定Z-pinch技术提供了引人注目的聚变经济学，并且比传统方法需要的资本少几个数量级。Zap Energy在西雅图附近拥有两个设施，团队成员超过一百人，得到了领先的金融和战略投资者的支持。
原文链接：https://www.zapenergy.com/news/37-million-degree-temperatures-in-a-compact-device