Zap Energia
 | |
| Typ | Prywatny |
|---|---|
| Przemysł | Energia |
| Założony | 2017 |
| Siedziba |
Seattle, Waszyngton ,NAS
|
Kluczowi ludzie |
Benj Conway (prezes, dyrektor generalny), Brian A. Nelson (dyrektor techniczny), Uri Shumlak (CSO) |
Liczba pracowników |
100 (2023) |
| Strona internetowa | |
Zap Energy to amerykańska firma, której celem jest komercjalizacja energii termojądrowej poprzez zastosowanie stabilizowanego ścinaniem Z-pinch . Firma ma siedzibę w pobliżu Seattle z ośrodkami badawczymi w Everett i Mukilteo w stanie Waszyngton.
Podstawę koncepcyjną technologii opracowano na Uniwersytecie Waszyngtońskim, kierowanym przez Uri Shumlaka. Firma Zap Energy powstała po pierwszych pozytywnych wynikach uzyskanych przez urządzenie FuZE w ramach programu ALPHA firmy ARPA-E . Firma została współzałożona przez brytyjskiego przedsiębiorcę i inwestora Benj Conway (prezes, dyrektor generalny) wraz z fizykami jądrowymi Brianem A. Nelsonem (dyrektor ds. technologii) i Uri Shumlakiem (dyrektor ds. nauki).
Fuzja Z-pinch stabilizowana ścinaniem
Efekt szczypania jest jedną z najwcześniej zbadanych metod pozyskiwania energii z syntezy jądrowej . Opiera się na fakcie, że prąd płynący w przewodniku wytwarza siłę skierowaną do wewnątrz, ściskającą przewodnik. W przypadku urządzenia termojądrowego przewodnikiem jest plazma samego paliwa termojądrowego. Prąd jest albo indukowany za pomocą zewnętrznego magnesu, albo bezpośrednio przykładany za pomocą elektrod w komorze reakcyjnej. Względna prostota urządzenia skłoniła wielu badaczy na całym świecie do podjęcia próby zbudowania systemów zaciskowych.
We wczesnych eksperymentach stwierdzono, że systemy zaciskania są niestabilne, a plazma była szybko wtłaczana w ściany komory reakcyjnej, schładzając ją, aby nie doszło do fuzji. Doprowadziło to do opracowania stabilizowanych maszyn zaciskowych, których najbardziej godnym uwagi przykładem jest brytyjska ZETA . Początkowo wydawało się, że te konstrukcje są wolne od niestabilności wcześniejszych urządzeń. Jednak dalsze badania wykazały, że nowe „mikroniestabilności” były równie skuteczne w niszczeniu ograniczeń, jak wcześniejsze, większe niestabilności. Bez oczywistego rozwiązania tej nowej klasy problemów, główne badania nad klasycznymi urządzeniami zaciskającymi zakończyły się na początku lat sześćdziesiątych.
Pomysł wykorzystania przepływu plazmy jako dodatkowej siły stabilizującej rozwinął się w latach 90. W tej koncepcji szczypta jest rozwijana w taki sposób, że plazma przepływa z różnymi prędkościami, gdy jedna wychodzi ze środka kolumny plazmy, przy czym warstwy zewnętrzne są około dziesięć razy szybsze niż środek. Ponieważ pole magnetyczne wytwarzane przez prąd szczypania jest funkcją zarówno gęstości, jak i prędkości ładunków, powoduje to, że powstałe pole szczypania jest nieliniowe w kolumnie plazmy. To przewyższa tempo wzrostu załamania , kiełbasy i wymiany . Dokładne warunki, które należy osiągnąć, aby ustabilizować skurcz, są nadal otwartym obszarem badań.
Historia
Zap Energy może prześledzić swoje techniczne pochodzenie do pracy dr Uri Shumlaka na University of Washington, począwszy od 1995 roku. Uniwersytet zbudował trzy eksperymentalne maszyny do testowania płynącego szczypania:
- ZaP (1998-2012 na UW)
- ZaP-HD (2012-obecnie na UW)
- FuZE (2015-2020 na UW; 2021-obecnie w Zap Energy)
Od tego czasu Zap Energy zbudował maszynę nowej generacji, FuZE-Q (2021-obecnie w Zap Energy). Ponieważ strzały w przepływającą szczyptę były znacznie mniejsze niż w tokamaku i znacznie dłuższe niż implozja ICF , laboratorium Shumlak musiało opracować niestandardowe narzędzia do pomiaru osocza.
Zap Energy została założona w 2017 roku jako spin-off zespołu badawczego FuZE (Fusion Z-pinch Experiment) na University of Washington i współpracy z naukowcami z Lawrence Livermore National Laboratory . Zap stworzył swoją pierwszą reakcję syntezy jądrowej jako firma w 2018 r., ale w listopadzie 2021 r. Livermore National Laboratory dostarczyło niezależny i dokładniejszy pomiar produkcji neutronów wewnątrz przepływającego szczypta, udowadniając, że maszyna może przeprowadzać syntezę jądrową z paliwem deuterowym . Wysiłek był prowadzony przez ARPA-E , gdzie agencja zorganizowała zespoły ds. syntezy jądrowej, aby wspierać prywatne firmy zajmujące się syntezą jądrową.
Reaktor Zap Energy to pulsacyjny system zasilania bez zewnętrznych magnesów. Firma dąży do skalowania swojego reaktora, aby utrzymać stabilność plazmy przy coraz wyższych poziomach energii, mając na celu osiągnięcie naukowego progu rentowności i ewentualnej rentowności komercyjnej.
W latach 2015-2020 seria grantów Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych umożliwiła zespołowi przetestowanie ich reaktora Z-pinch ze stabilizacją ścinania przepływu przy coraz wyższych poziomach energii.
W lipcu 2020 roku Zap Energy zebrał 6,5 miliona dolarów w ramach finansowania serii A.
W maju 2021 Zap zamknął 27,5 miliona dolarów w ramach finansowania serii B, w tym od Addition, Energy Impact Partners, Chevron Technology Ventures i Lowercarbon Capital. Finansowanie Chevron było pierwszą inwestycją w energię termojądrową dużego amerykańskiego koncernu naftowego, ale nie pierwszą inwestycją koncernu naftowego w syntezę jądrową. Włoska firma naftowa ENI wsparła Commonwealth Fusion Systems w 2018 roku.
W czerwcu 2022 r. firma Zap Energy ogłosiła pierwsze plazmy w swoim urządzeniu rentowności (FuZE-Q) oraz podwyżkę w wysokości 160 mln USD w serii C wspieraną przez Lowercarbon Capital, Breakthrough Energy Ventures Billa Gatesa , Shell PLC, Valor, DCVC, Energy Impact Partners, Chevron i inni.
Projekt
Od 1999 roku przepływająca szczypta była testowana w szeregu eksperymentalnych urządzeń. Maszyna to metalowa rura o długości około 2 metrów z katodą biegnącą w połowie środka. Napięcie jest przykładane między centralną katodą a uziemioną ścianą. Paliwo fuzyjne jest wdmuchiwane z tyłu maszyny, która jonizuje w wyniku rozpadu Paschena, tworząc plazmę. Ta plazma przesuwa się do przodu i składa się w około 50-centymetrowy płynący szczypta w szczelinie między katodą a ścianą. University of Washington wyposażył te maszyny w kilka narzędzi do mierzenia wydajności płynącego szczypania. Wśród nich m.in.:
- Spektroskopia jonowa służy do pomiaru temperatury plazmy, aw przypadku przepływających szczypt mierzy emisje zanieczyszczeń węgla-III wewnątrz plazmy.
- Szybkie aparaty służą do uzyskiwania ogólnych zdjęć i filmów z działania szczypania. W 2019 roku zespół wykorzystał kamerę o szybkości 5 milionów klatek na sekundę wyprodukowaną przez firmę Kirana w Wielkiej Brytanii.
- Interferometria służy do pomiaru gęstości plazmy w poprzek przepływającej szczypty. Narzędzie przepuszcza testową wiązkę lasera przez plazmę i porównuje ją z wiązką odniesienia w celu zmierzenia gęstości plazmy. Ale to narzędzie jest ograniczone, ponieważ może mierzyć gęstości tylko wzdłuż wąskiej ścieżki, po której porusza się laser (znanej jako akord ) .
- Sondy pola magnetycznego ustawiają powierzchnię rury w celu pomiaru pola generowanego przez przepływający prąd skurczowy.
Do pomiaru uszczypnięć wykorzystano również inne narzędzia diagnostyczne, wiele z nich we współpracy z eksperymentatorami z krajowych laboratoriów.
Skalowanie
Zap Energy argumentuje, że szybkość syntezy w przepływającym szczypcie skaluje się wraz z prądem szczypania do 11. potęgi i że z tego powodu wszystko, co jest potrzebne do wygenerowania mocy netto z płynącego szczypania, to wyższy prąd. Jednak ten model skalowania jest oparty na adiabatycznych i model ten nie obejmuje wszystkich rzeczywistych zachowań.
Krytycy zwracają uwagę, że gdy przepływający szczypta przechodzi do wyższych prądów, może wprowadzić niestabilność dryfu i fale uderzeniowe , które mogą rozerwać plazmę. W przypadku fal dryfujących jony (+) i (-) elektrony poruszałyby się z różnymi prędkościami ze względu na różnice w masie, a to rozrywałoby plazmę. Fale uderzeniowe mogą również powstawać podczas procesu montażu zacisku, kiedy plazma zamiata razem z dużymi prędkościami, dwie fale plazmowe mogą tworzyć falę uderzeniową przy wyższych prędkościach. Znalezienie innych sposobów tworzenia plazmy pinch jest możliwym rozwiązaniem tego problemu.
Symulacje pomocnicze dowodzą, że do osiągnięcia mocy netto potrzeba ~ 650 kiloamperów (kA) prądu przez przepływający szczyptę. Od końca 2021 roku firma testowała prądy w FuZE sięgające 500 kA.
Wyzwania
Wyższe prądy szczypania, które są potrzebne do zwiększenia skali, wprowadzają możliwość stopienia elektrody i erozji elektrody . Ten rodzaj erozji był szeroko badany w dziedzinie elektrycznego napędu statków kosmicznych . W 2021 roku katody Zap zostały wykonane z miedzi pokrytej węglikiem wolframu , który ma maksymalną temperaturę topnienia 3103 kelwinów. Możliwym rozwiązaniem są materiały takie jak grafen . Maszyny mogą być również budowane z większymi rozmiarami plamek, aktywnym chłodzeniem lub innymi obejściami.
Inną krytyką jest to, że objętość plazmy wewnątrz wąskiej wiązki jest stosunkowo niewielka w porównaniu z maszynami termojądrowymi, takimi jak lustra magnetyczne , tokamaki lub inne podejścia do fuzji. Ogranicza to ilość paliwa fuzyjnego, a następnie ilość energii, którą można wytworzyć w płynącym szczypcie. Wyższa prędkość strzału, wiele maszyn, dłuższe i szersze belki dociskowe to możliwe rozwiązania tego problemu.
Elektrownia
Zap Energy zaproponowało otoczenie szczypty stopionym kocem, aby wchłonąć materiał spadający ze szczypty. To podejście jest podobne do tych proponowanych przez First Light Fusion i General Fusion .