Au cours des neuf décennies qui se sont écoulées depuis que l'homme a produit les premières réactions de fusion, seules quelques technologies de fusion ont démontré leur capacité à produire un plasma de fusion thermique avec des températures électroniques supérieures à 10 millions de degrés Celsius, soit à peu près la température du noyau du soleil. L'approche unique de Zap Energy, connue sous le nom de pincement Z stabilisé par flux cisaillé, a désormais rejoint ces rangs raréfiés, dépassant de loin cette étape de la température du plasma dans un dispositif qui ne représente qu'une fraction de l'échelle des autres systèmes de fusion.
Un nouveau document de recherche, publié dans Physical Review Letters. détaille les mesures effectuées sur l'expérience Fusion Z-pinch (FuZE) de Zap Energy de températures électroniques du plasma de 1 à 3 keV, soit environ l'équivalent de 11 à 37 millions de degrés Celsius (20 à 66 millions de degrés Fahrenheit).
En raison de la capacité des électrons à refroidir rapidement un plasma, cet exploit constitue un obstacle majeur pour les systèmes de fusion et FuZE est le dispositif le plus simple, le plus petit et le moins coûteux à avoir réussi à y parvenir. La technologie de Zap offre le potentiel d'un chemin beaucoup plus court et plus pratique vers un produit commercial capable de produire une énergie abondante, sur demande et sans carbone pour la planète.
"Il s'agit de mesures méticuleuses et sans équivoque, mais réalisées sur un appareil d'une échelle incroyablement modeste par rapport aux normes de fusion traditionnelles", décrit Ben Levitt, vice-président de la R&D chez Zap. "Nous avons encore beaucoup de travail devant nous, mais notre performance à ce jour a progressé à un point tel que nous pouvons désormais nous tenir aux côtés de certains des dispositifs de fusion les plus éminents au monde, mais avec une grande efficacité, et à une fraction de la complexité et du coût."
"Au cours de plusieurs décennies de recherche sur la fusion contrôlée, seule une poignée de concepts de fusion ont atteint une température électronique de 1 keV", note Scott Hsu, coordinateur principal de la fusion au DOE et ancien directeur du programme ARPA-E. "Ce que cette équipe a réalisé ici est remarquable et renforce les efforts de l'ARPA-E pour accélérer le développement de l'énergie de fusion commerciale."
La première étape pour créer les conditions de la fusion consiste à générer un plasma, le « quatrième état énergétique de la matière » dans lequel les noyaux et les électrons ne sont pas liés ensemble en atomes mais circulent librement dans une soupe subatomique. La compression et le chauffage d'un plasma composé de deux formes d'hydrogène appelées deutérium et tritium provoquent la collision et la fusion de leurs noyaux. Lorsqu'elles se produisent, les réactions de fusion dégagent environ 10 millions de fois plus d'énergie par once que la combustion de la même quantité de charbon.
De telles réactions de fusion ont été observées en laboratoire depuis des décennies en quantités relativement faibles. Cependant, le grand défi est de créer plus d'énergie de fusion à partir de ces réactions que l'énergie d'entrée nécessaire pour les initier.
La technologie de Zap Energy est basée sur un schéma simple de confinement du plasma connu sous le nom de pincement Z, dans lequel d'importants courants électriques sont canalisés à travers un mince filament de plasma. Le plasma conducteur génère ses propres champs électromagnétiques, qui le réchauffent et le compriment. Bien que la fusion Z-pinch soit expérimentée depuis les années 1950, l'approche a été largement contrecarrée par la courte durée de vie de ses plasmas, un problème que Zap a résolu en appliquant un flux dynamique à travers le plasma, un processus appelé stabilisation par flux cisaillé.
"La dynamique est un merveilleux exercice d'équilibre de la physique des plasmas", explique Levitt. "À mesure que nous grimpons vers des courants de plasma de plus en plus élevés, nous optimisons le point idéal où la température, la densité et la durée de vie du pincement Z s'alignent pour former un plasma de fusion stable et hautes performances."
Une pincée saine
Les chercheurs en fusion mesurent la température du plasma en unités d'électron-volt et peuvent mesurer séparément la température des ions (noyaux) et des électrons du plasma. Étant donné que les ions sont mille fois plus lourds que les électrons, les deux composants du plasma peuvent chauffer et refroidir à des vitesses différentes.
Étant donné que ce sont les ions qui doivent finalement être chauffés aux températures de fusion, les physiciens des plasmas s'inquiètent souvent des situations dans lesquelles les électrons froids limitent le chauffage des ions, comme les glaçons dans une soupe chaude. Cependant, il a été démontré que les électrons du plasma FuZE sont aussi chauds que les ions, ce qui indique que le plasma est dans un équilibre thermique sain.
De plus, les mesures détaillées de Zap montrent que les températures électroniques et la production de neutrons de fusion culminent simultanément. Comme les neutrons sont un produit primaire des ions en fusion, ces observations soutiennent l'idée d'un plasma en fusion en équilibre thermique.
"Les résultats de cet article et d'autres tests que nous avons effectués depuis, dressent tous un bon tableau général d'un plasma de fusion avec une marge d'évolution vers un gain d'énergie", déclare Uri Shumlak, co-fondateur et scientifique en chef chez Zap Energy. "En travaillant à des courants plus élevés, nous constatons toujours un écoulement cisaillé prolongeant la durée de vie du pincement Z suffisamment longtemps pour produire des températures très élevées et les rendements de neutrons associés que nous prédirions à partir de la modélisation."
Les températures rapportées dans l'article ont été mesurées par une équipe de collaborateurs extérieurs du LLNL et de l'UCSD compétents dans une technique de mesure du plasma appelée diffusion Thomson. Pour effectuer la diffusion Thomson, les scientifiques utilisent un laser très brillant et très rapide pour envoyer une impulsion de lumière verte dans le plasma, qui se disperse sur les électrons et fournit des informations sur leur température et leur densité.
"Nous sommes particulièrement reconnaissants envers l'équipe de collaboration pour le travail qu'elle a accompli pour nous aider à rassembler ces données et à affiner une technique de mesure essentielle pour nous", note Levitt. Fort des mesures de cette collaboration sur des centaines de plasmas, Zap collecte désormais régulièrement des données de diffusion Thomson sur FuZE-Q, son appareil de dernière génération.
Contrairement aux deux approches de fusion traditionnelles qui ont été au centre de la majorité des recherches sur la fusion au cours des dernières décennies, la technologie de Zap ne nécessite pas d'aimants supraconducteurs coûteux et complexes ni de lasers puissants.
"La technologie Zap est bien moins coûteuse et plus rapide à construire que d'autres appareils, ce qui nous permet d'itérer rapidement et de produire les neutrons de fusion thermique les moins chers du marché. Des économies d'innovation convaincantes sont essentielles au lancement d'un produit de fusion commercial dans un délai qui compte", a déclaré Benj Conway, PDG et co-fondateur de Zap.
En 2022, au moment même où ces résultats de FuZE étaient collectés, Zap a mis en service son appareil de nouvelle génération FuZE-Q. Bien que les premiers résultats de FuZE-Q soient encore à venir, l'appareil dispose d'une banque d'alimentation avec dix fois plus d'énergie stockée que FuZE et une capacité d'adaptation à des températures et des densités beaucoup plus élevées. Parallèlement, le développement parallèle de systèmes de centrales électriques est également en cours.
"Nous avons lancé Zap en sachant que nous disposions d'une technologie unique et en dehors du statu quo, donc franchir définitivement cette barre de température électronique élevée et voir ces résultats dans une revue de physique de premier plan est une validation majeure", déclare Conway. "Nous avons certainement de grands défis à relever, mais nous avons tous les ingrédients pour les résoudre."
Plus d'informations : B. Levitt et al, Température électronique élevée coïncidant avec les réactions de fusion observées dans un pincement en Z stabilisé par écoulement cisaillé, Lettres d'examen physique (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.155101
Informations sur le journal : Lettres d'examen physique
Fourni par Zap Energy
