小型剪切流稳定Z箍缩聚变装置创下电子温度记录

自人类首次产生聚变反应以来的九个十年中，只有少数聚变技术证明了能够制造电子温度高于1000万摄氏度(大致相当于太阳核心温度)的热聚变等离子体。ZapEnergy的独特方法，即剪切流稳定Z箍缩，现在已加入了这些稀有的行列，在其规模仅为其他聚变系统规模的一小部分的设备中远远超过了这一等离子体温度里程碑。

发表在《物理评论快报》上的一篇新研究论文详细介绍了ZapEnergy的聚变Z箍缩实验(FuZE)对1-3keV等离子体电子温度的测量结果，大约相当于11至3700万摄氏度(20至6600万摄氏度)华氏度)。

由于电子能够快速冷却等离子体，这一壮举是聚变系统的一个关键障碍，而FuZE是实现这一壮举的最简单、最小和成本最低的设备。Zap的技术为商业产品提供了一条更短、更实用的途径，能够为全球生产丰富的、按需的、无碳的能源。

Zap研发副总裁BenLevitt表示：“这些测量是细致、明确的，但按照传统聚变标准，却是在规模极其有限的设备上进行的。”“我们还有很多工作要做，但迄今为止我们的性能已经进步到可以与世界上一些杰出的聚变设备并肩的程度，而且效率很高，并且在复杂性和成本的一小部分。”

“在数十年的受控聚变研究中，只有少数聚变概念达到了1keV电子温度，”美国能源部首席聚变协调员、前ARPA-E项目主任ScottHsu指出。“这个团队在这里取得的成就是非凡的，并加强了ARPA-E加速商业聚变能源发展的努力。”

热汤

创造聚变条件的第一步是产生等离子体——高能的“物质第四态”，其中原子核和电子没有结合在一起形成原子，而是在亚原子汤中自由流动。压缩和加热由两种形式的氢(称为氘和氚)组成的等离子体会导致它们的原子核碰撞和融合。当发生这种情况时，聚变反应每盎司释放的能量比燃烧相同数量的煤炭多大约1000万倍。

几十年来，这种聚变反应已经在实验室中以相对较小的数量观察到。然而，巨大的挑战是从这些反应中产生比启动它们所需的输入能量更多的输出聚变能量。

ZapEnergy的技术基于一种称为Z箍缩的简单等离子体限制方案，其中大电流通过等离子体细丝引导。导电等离子体会产生自己的电磁场，从而加热并压缩它。虽然Z箍缩聚变自20世纪50年代以来一直在进行实验，但该方法在很大程度上受到等离子体寿命短暂的阻碍，Zap通过在等离子体中应用动态流(称为剪切流稳定的过程)解决了这个问题。

“这种动力学是等离子体物理学的一种美妙的平衡行为，”莱维特解释道。“当我们攀登到越来越高的等离子体电流时，我们优化了Z箍缩的温度、密度和寿命的最佳点，以形成稳定、高性能的熔融等离子体。”

健康的捏

聚变研究人员以电子伏特为单位测量等离子体温度，并且可以分别测量等离子体离子(原子核)和电子的温度。由于离子比电子重一千倍以上，因此等离子体的两种成分可以以不同的速率加热和冷却。

由于离子最终需要被加热到聚变温度，因此等离子体物理学家经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等离子体中的电子与离子一样热，表明等离子体处于健康的热平衡状态。

此外，扎普的详细测量表明电子温度和聚变中子产生同时达到峰值。由于中子是聚变离子的主要产物，这些观察结果支持聚变等离子体处于热平衡状态的想法。

ZapEnergy联合创始人兼首席科学家UriShumlak表示：“本文的结果以及我们此后所做的进一步测试都描绘了聚变等离子体的良好整体图景，并且具有扩展能量增益的空间。”“在更高的电流下工作，我们仍然看到剪切流延长了Z箍缩寿命，足以产生非常高的温度以及我们通过建模预测的相关中子产额。”

黄金标准测量

论文中报告的温度是由来自LLNL和UCSD的外部合作者团队测量的，该团队精通称为汤姆森散射的等离子体测量技术。为了进行汤姆逊散射，科学家使用非常明亮、非常快的激光向等离子体发射绿光脉冲，等离子体从电子上散射出来并提供有关电子温度和密度的信息。

“我们特别感谢协作团队为帮助我们收集这些数据并完善关键测量技术所做的工作，”莱维特指出。通过此次合作对数百个等离子体进行的测量，Zap现在定期在其最新一代设备FuZE-Q上收集汤姆森散射数据。

无需外部磁铁、压缩或加热

与近几十年来大多数聚变研究焦点的两种主流聚变方法不同，Zap的技术不需要昂贵且复杂的超导磁体或强大的激光器。

“Zap技术比其他设备便宜几个数量级，构建速度也更快，使我们能够快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按时推出商业聚变产品至关重要，”Zap首席执行官兼联合创始人BenjConway说道。

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。

“我们开始Zap时就知道我们拥有一项独特且超越现状的技术，因此明确跨越这一高电子温度标记并在顶级物理期刊上看到这些结果是重大验证，”Conway说。“我们确实面临着巨大的挑战，但我们拥有解决这些挑战的所有要素。”