Zap Energy在紧凑型设备中实现3700万度的温度
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。 Zap Energy 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，其设备的规模只是其他聚变系统的一小部分，远远超过了这一等离子体温度里程碑。
本月在《物理评论快报》上发表的一篇新研究论文详细介绍了 Zap Energy 的聚变 Z 箍缩实验 (FuZE) 对 1-3 keV 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 66万华氏度)。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 Ben Levitt 表示：“这些测量是细致、明确的，但按照传统聚变标准，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。”
FuZE 最初由高级研究计划局 (ARPA-E) 资助华盛顿大学的研究。该设备于 2020 年公司成立后不久转移到 Zap Energy 的专用研发设施。本文中的结果是在 ARPA-E 资助下与劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 和加州大学圣地亚哥分校 (UCSD) 的研究人员于 2022 年合作收集的，他们带头开发了用于这些结果的测量系统。
“在数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，”美国首席聚变协调员、前 ARPA-E 项目主任 Scott Hsu 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，实验室中已经观察到了这种相对少量的聚变反应。然而，最大的挑战是如何使这些反应产生的聚变输出能量大于启动这些反应所需的输入能量。
Zap Energy 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，从而对其进行加热和压缩。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其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。 “当我们达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。
“这篇论文的结果以及我们此后进行的进一步测试都描绘出一幅完整的聚变等离子体图景，该图景在能量增益方面具有可扩展的空间，”Zap Energy 联合创始人兼首席科学家 Uri Shumlak 说道。“在更高的电流下工作时，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从建模中预测的相关中子产量。”
黄金标准测量
论文中报告的温度是由来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室和加州大学圣地亚哥分校的外部合作者团队测量的，他们精通一种名为汤姆逊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、非常快速的激光将绿光脉冲发射到等离子体中，该脉冲从电子上散射，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，而且构建速度更快，使我们能够快速迭代并生产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融合产品至关重要。”Zap 首席执行官兼联合创始人 Benj Conway 表示。
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。
“我们创办 Zap 时就知道，我们拥有一项独一无二、突破现状的技术，因此，最终突破这一高电子温度标记，并在顶级物理学期刊上看到这些结果，这是重大的验证，”康威说。“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。”
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