Зап Энерджи
 | |
| Тип компании | Частный |
|---|---|
| Промышленность | Энергия |
| Основан | 2017 |
| Штаб-квартира | Сиэтл, Вашингтон , НАС |
Ключевые люди | Бендж Конвей (президент, генеральный директор), Брайан А. Нельсон (технический директор), Ури Шумлак (директор по безопасности) |
Количество сотрудников | 150 (2023) |
| Веб-сайт | www |
Zap Energy — американская компания, которая стремится коммерциализировать термоядерную энергию стабилизированного сдвиговым потоком за счет использования Z-пинча, . Компания базируется недалеко от Сиэтла, а исследовательские центры расположены в Эверетте и Мукилтео, штат Вашингтон. [1] Компания стремится масштабировать свою технологию для поддержания стабильности плазмы на все более высоких уровнях энергии с целью достижения научной безубыточности и возможной коммерческой прибыльности. [2] [3] [4]
Концептуальную основу технологии разработали в Вашингтонском университете под руководством Ури Шумлака. Компания Zap Energy была создана на основе положительных первоначальных результатов, достигнутых с помощью устройства FuZE в рамках программы ARPA-E ALPHA. Компания была основана британским предпринимателем и инвестором Бенджем Конвеем (президент, генеральный директор) вместе с технологом Брайаном А. Нельсоном (главный технический директор) и физиком Ури Шумлаком (главный научный сотрудник). [5]
Слияние Z-пинча, стабилизированное сдвиговым потоком
[ редактировать ]
Пинч - эффект основан на том факте, что ток, текущий в проводнике, создает направленную внутрь силу, сжимающую проводник. В случае термоядерного устройства проводником является плазма термоядерного топлива. Ток индуцируется либо с помощью внешнего магнита, либо подается напрямую с помощью электродов в реакционной камере. Относительная простота устройства побудила многих исследователей по всему миру создать пинч-системы.
В ранних экспериментах было обнаружено, что пинч-системы нестабильны, и плазма быстро вытесняется в стенки реакционной камеры, охлаждая ее так, что термоядерный синтез не происходит. Это привело к разработке стабилизированных зажимных машин, в первую очередь британской ZETA . На первый взгляд казалось, что эти конструкции лишены нестабильности предыдущих устройств. Однако дальнейшее расследование показало, что новые «микронестабильности» были столь же эффективны для разрушения изоляции, как и более ранние, более крупные нестабильности. Поскольку очевидного решения этого нового класса проблем не было, основные исследования классических пинч-устройств завершились к началу 1960-х годов.
Идея использовать поток плазмы в качестве дополнительной стабилизирующей силы возникла в 1990-х годах. В этой концепции пинч разработан таким образом, что плазма течет с разной скоростью по мере удаления от центра плазменного столба, при этом внешние слои примерно в десять раз быстрее центра. [6] Поскольку магнитное поле, создаваемое током пинча, является функцией как плотности, так и скорости зарядов, это приводит к тому, что результирующее поле пинча становится нелинейным поперек плазменного столба. Это превосходит скорость роста кинковой , колбасной и развязочной неустойчивостей . Точные условия, которые необходимо достичь для стабилизации пинча, являются открытой областью исследований. [7] [8]
История
[ редактировать ]
Техническое происхождение Zap Energy основано на работе доктора Ури Шумлака из Вашингтонского университета, начавшейся в 1995 году. Университет построил три экспериментальные машины для проверки текущего зажима:
- ЗаП (1998-2012 в УВ) [11] [10]
- ЗаП-HD (2012 – настоящее время в UW)
- FuZE (2015–2020 в UW; 2021 – настоящее время в Zap Energy) [12]
Лаборатория Шумлака разработала специальные инструменты для измерения плазмы. [13]
Zap Energy была основана в 2017 году как дочернее предприятие исследовательской группы FuZE (Fusion Z-pinch Experiment) в Вашингтонском университете и в сотрудничестве с исследователями из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . [14] Затем Zap Energy построила термоядерную ядру следующего поколения, FuZE-Q (с 2021 г. по настоящее время в Zap Energy). Zap осуществила свою первую термоядерную реакцию как компания в 2018 году. [15] но в ноябре 2021 года Ливерморская национальная лаборатория провела независимое и более точное измерение образования нейтронов внутри текущего пинча, доказав, что машина может осуществлять термоядерный синтез с дейтериевым топливом. [16] Эту работу возглавило ARPA-E , где агентство организовало группы по термоядерному синтезу для поддержки частных компаний по термоядерному синтезу.
С 2015 по 2020 год серия грантов Министерства энергетики США позволила команде протестировать свой Z-пинч-реактор со стабилизированным сдвиговым потоком на все более высоких уровнях энергии. [18] [19] [20] [21]
В июле 2020 года Zap Energy привлекла 6,5 миллионов долларов США в рамках серии A. [22]
В мае 2021 года Zap закрыла финансирование серии B на сумму 27,5 млн долларов, в том числе от Addition, Energy Impact Partners, Chevron Technology Ventures и Lowercarbon Capital. [23] [5] [24] Финансирование Chevron стало первой инвестицией крупной нефтяной компании США в термоядерную энергетику. [25] [26]
В июне 2022 года Zap Energy объявила о выпуске первой плазмы в своем безубыточном устройстве (FuZE-Q) и о привлечении средств серии C на сумму 160 миллионов долларов США при поддержке Lowercarbon Capital, Билла Гейтса , Breakthrough Energy Ventures Shell PLC , Valor, DCVC, Energy Impact Partners, Chevron. и другие. [27] [28]
В октябре 2022 года Совет по технологиям переходной угольной энергетики Centralia предоставил Zap Energy грант в размере 1 миллиона долларов для финансирования затрат на оценку осуществимости строительства пилотной установки по производству термоядерной энергии Zap на месте газовой электростанции TransAlta Big Hanaford. [29]
В мае 2023 года Zap Energy была одной из восьми компаний, выбранных для участия в Министерства энергетики США программе развития термоядерной энергетики . [30] [31]
В июне 2023 года Zap Energy получила значительные новые возможности по производству повторяющейся импульсной энергии, приобретя ликвидированные активы ICAR. [32] Также в июне Zap Energy была выбрана в качестве технологического единорога Всемирного экономического форума с оценкой более одного миллиарда долларов США. [33]
В 2024 году FuZE продемонстрировал температуру электронов плазмы 1–3 кэВ — (от 11 до 37 миллионов градусов Цельсия), самое простое, самое маленькое и самое дешевое устройство для этого. [34]
Дизайн
[ редактировать ]
Реактор Zap Energy представляет собой импульсную энергетическую систему без внешних магнитов. [1] [35] [12] Машина представляет собой металлическую трубку длиной около 2 метров с катодом , расположенным посередине. Между центральным катодом и заземленной стенкой подается напряжение. В задней части машины выдувается термоядерное топливо, которое ионизируется из-за распада Пашена , создавая плазму. [17] Эта плазма устремляется вперед и собирается в текущий пинч длиной около 50 см в зазоре между катодом и стенкой.
Тестирование
[ редактировать ]Компания Zap Energy оснастила эти машины инструментами для измерения производительности перекачивающего зажима. В их число входят:
- Ионная спектроскопия измеряет температуру плазмы, а в случае текущих пинчей измеряет выбросы примесей углерода-III внутри плазмы. [13]
- Быстрые камеры снимают фотографии и видео с момента выступления. В 2019 году команда использовала камеру Кираны со скоростью 5 миллионов кадров в секунду.
- Интерферометрия измеряет плотность плазмы поперек текущего пинча. Инструмент пропускает тестовый лазерный луч через плазму и сравнивает его с эталонным лучом. [36] Этот инструмент может измерять плотность только вдоль узкого пути, по которому движется лазер (известного как хорда ).
- Зонды магнитного поля располагаются вдоль поверхности трубки для измерения поля, создаваемого текущим током пинча. [37]
Для измерения щипков использовались и другие диагностические инструменты, многие из которых проводились в сотрудничестве с экспериментаторами из национальных лабораторий.
Масштабирование
[ редактировать ]
Zap Energy утверждала, что скорость термоядерного синтеза в текущем пинче зависит от тока пинча в 11-й степени. [38] [39] [40] и что из-за этого все, что необходимо для генерации полезной мощности от протекающего пинча, — это более высокий ток. Однако эта масштабирующая модель основана на адиабатической плазме и не может охватить все поведение в реальном мире. [ нужна ссылка ]
Критики отмечают, что более высокие токи могут вызвать дрейфовую нестабильность и ударные волны , которые могут разорвать плазму на части. [40] В случае дрейфовых волн ионы (+) и (-) электроны будут двигаться с разной скоростью из-за разницы в массах, и это приведет к разрушению плазмы. В процессе сборки зажима могут образоваться ударные волны. Когда плазма сближается на высоких скоростях, две плазменные волны могут сформировать ударную волну на более высоких скоростях. Возможным решением этой проблемы является поиск других способов формирования плазмы пинча.
В поддержку моделирования утверждается, что для достижения полезной мощности необходим ток ~650 килоампер (кА) через текущий пинч. По состоянию на конец 2021 года компания проводила испытания током до 500 кА. [41]
Устройство
[ редактировать ]Zap Energy предложила окружить зажим расплавленным слоем, чтобы поглотить материал, выходящий из зажима. Этот подход аналогичен подходам, предложенным компаниями First Light Fusion и General Fusion .
Проблемы
[ редактировать ]Более высокие токи пинча, необходимые для масштабирования, приводят к возможности плавления и эрозии электрода . Этот вид эрозии широко исследовался в области электродвижения космических кораблей . В 2021 году катоды Запа были изготовлены из меди, покрытой карбидом вольфрама , максимальная температура плавления которого составляет 3103 Кельвина. [42] такие материалы, как графен Возможным решением являются . Машины могут быть оснащены пятнами большего размера, активным охлаждением или другим обходным путем.
Другая критика заключается в том, что объем плазмы внутри узкого пинч-луча относительно невелик по сравнению с термоядерными машинами, такими как магнитные зеркала , токамаки или другими подходами к термоядерному синтезу. Это ограничивает количество термоядерного топлива, а, следовательно, и количество энергии, которое может быть получено за один раз. Возможными решениями являются более высокая скорость выстрелов, несколько машин, а также более длинные и широкие зажимные балки.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Клайнс, Том (27 декабря 2021 г.). «Магнитный синтез без магнитов» . IEEE-спектр . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Скоулз, Сара (16 мая 2022 г.). «Программа ARPA –E обеспечивает диагностику термоядерных компаний» . Физика сегодня . 2022 (2): 0316а. Бибкод : 2022ФТ..2022б.316. . дои : 10.1063/PT.6.2.20220316a . S2CID 247502830 . Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ Лаварс, Ник (11 апреля 2019 г.). «Прорыв в области ядерного синтеза вдохнул жизнь в забытый подход Z-пинча» . Новый Атлас . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Митрани, Джеймс М.; Браун, Джошуа А.; Голдблюм, Бетани Л.; Лаплас, Тибо А.; Клаво, Эллиот Л.; Дрейпер, Зак Т.; Форбс, Элеонора Г.; Голинго, Рэй П.; Маклин, Гарри С.; Нельсон, Брайан А.; Шумлак, Ури; Степанов, Антон; Вебер, Тобин Р.; Чжан, Юэ; Хиггинсон, Дрю П. (23 ноября 2021 г.). «Эмиссия термоядерных нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Физика плазмы . 28 (112509): 112509. Бибкод : 2021ФПл...28к2509М . дои : 10.1063/5.0066257 . ОСТИ 1860884 . S2CID 244540270 .
- ^ Jump up to: а б «Zap Energy привлекает 27,5 миллионов долларов на развитие реакторных технологий» (пресс-релиз). Сиэтл, Вашингтон: Zap Energy. 19 мая 2021 г. Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Шумлак, У. и К.В. Хартман. «Стабилизация сдвигового потока в режиме излома m = 1 в Z-пинчах». Письма о физической экспертизе 75.18 (1995): 3285. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.3285.
- ^ Ангус, младший и др. «Анализ собственных мод Z-пинча со сдвиговым потоком». Физика плазмы 27.12 (2020): 122108.
- ^ Арбер, Т.Д. и Д.Ф. Хауэлл. «Влияние поперечного осевого потока на линейную устойчивость Z-пинча». Физика плазмы 3.2 (1996): 554-560.
- ^ Шумлак, Ури и др. «Увеличение параметров плазмы с помощью стабилизации поперечного потока Z-пинча». Физика плазмы 24.5 (2017): 055702.
- ^ Jump up to: а б Стабилизация сдвигового потока Z-пинчей Параскив, Иоана. Университет Невады, Reno ProQuest Dissertations Publishing, 2007 г., 3264527.
- ^ Шумлак, У. и др. «Свидетельства стабилизации Z-пинча». Письма о физической экспертизе 87.20 (2001): 205005 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.205005
- ^ Jump up to: а б Чжан, Ю.; Шумлак, У.; Нельсон, бакалавр; Голинго, РП; Вебер, ТР; Степанов А.Д.; Клаво, Эль; Форбс, Е.Г.; Дрейпер, ЗТ (04 апреля 2019 г.). «Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . Письма о физических отзывах . 122 (13): 135001. arXiv : 1806.05894 . Бибкод : 2019PhRvL.122m5001Z . doi : 10.1103/PhysRevLett.122.135001 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 31012637 . S2CID 51680710 .
- ^ Jump up to: а б Форбс, Э.Г. и У. Шумлак. «Измерения пространственно-временной температуры и скорости ионов в Z-пинче с использованием спектроскопии быстрого кадрирования». Обзор научных инструментов 91.8 (2020): 083104. https://doi.org/10.1063/5.0012255.
- ^ Бушеньи, Дебра (22 апреля 2021 г.). «Zap Energy, дочерняя компания Вашингтонского университета, на пути к обеспечению планеты энергией» (пресс-релиз). Сиэтл, Вашингтон: Вашингтонский университет . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Райт, Кэтрин (04 апреля 2019 г.). «Зажигание термоядерного синтеза в лаборатории» . АПС Физика . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Митрани, Джеймс М. и др. «Эмиссия термоядерных нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком». Физика плазмы 28.11 (2021): 112509. https://doi.org/10.1063/5.0066257.
- ^ Jump up to: а б Центр. Семинар CENPA - Юэ Чжан - Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком. Ютуб. Опубликовано в Интернете 12 августа 2019 г. По состоянию на 21 апреля 2022 г.
- ^ Дженнифер, Лэнгстон (2 июня 2015 г.). «Исследователи Университета Вашингтона расширяют надежды на термоядерный синтез с помощью гранта Министерства энергетики» . Университет Вашингтона . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ «Flow Z-Pinch для Fusion» . АРПА-Э . 14 мая 2015 г. Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ «Разработка электродной технологии для термоядерного реактора с Z-пинчем со сдвиговым потоком» . АРПА-Э . 15 ноября 2018 г. Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ «Улучшение характеристик Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком» . АРПА-Э . 07.04.2020 . Проверено 17 марта 2022 г.
- ^ Янконгело, Дэвид (17 августа 2020 г.). «Нефтяные гиганты поддерживают термоядерный синтез: поворотный момент выбросов CO2?» . Политик Про . Политика ENERGYWIRE . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Сопер, Тейлор (19 мая 2021 г.). «Стартап Zap Energy из Сиэтла получил 27,5 миллионов долларов на строительство коммерческого термоядерного реактора без магнитов» . GeekWire . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ «EIP запускает новый фонд для масштабирования самых смелых идей в области климатических технологий» (пресс-релиз). Бизнесвайр. 20 января 2022 г. Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ «Нефтяная компания Chevron инвестирует в стартап Zap Energy, работающий в области ядерного синтеза» . Рейтер . 12 августа 2020 г. Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ «Chevron инвестирует в стартап по ядерному синтезу» . Шеврон . 12 августа 2020 г. Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Маркофф, Джон (22 июня 2022 г.). «Стартап из Сиэтла приветствует большой шаг на пути к термоядерной энергетике» . Нью-Йорк Таймс .
- ^ «Благодаря первой плазме в термоядерном устройстве нового поколения и свежему капиталу Zap Energy приближается к научной безубыточности» .
- ^ персонал, The Chronicle (21 октября 2022 г.). «Zap Energy получила 1 миллион долларов от Совета по переходу на угольную промышленность Centralia для оценки планов термоядерной электростанции» . Ежедневная хроника .
- ^ «Министерство энергетики объявляет о выделении 46 миллионов долларов на развитие коммерческой термоядерной энергетики» . Energy.gov.ru .
- ^ Ван, Брайан (31 мая 2023 г.). «Восемь компаний по ядерному синтезу получили в общей сложности 46 миллионов долларов | NextBigFuture.com» . Проверено 2 июня 2023 г.
- ^ «Zap Energy обеспечивает возможности производства источников питания за счет приобретения ликвидированных активов ICAR» . www.businesswire.com . 14 июня 2023 г.
- ^ «Единороги» . Всемирный экономический форум .
- ^ «Zap Energy достигает температуры в 37 миллионов градусов в компактном устройстве» . www.zapenergy.com . Проверено 25 апреля 2024 г.
- ^ Наттолл, Уильям Дж; Кониси, Сатоши; Такеда, Шутаро; Уэбб-Вуд, Дэвид (декабрь 2020 г.). Коммерциализация термоядерной энергии . IOP Publishing Ltd. ISBN 978-0-7503-2719-0 . Проверено 18 марта 2022 г.
- ^ Харилал, СС и М.С. Тиллак. «Лазерные измерения плотности плазмы методами интерферометрии». Отдел термоядерного синтеза, Центр энергетических исследований. унив. Калифорния, 2004 год.
- ^ Шумлак, У. и др. «Свидетельства стабилизации Z-пинча». Письма о физической экспертизе 87.20 (2001): 205005. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.205005.
- ^ Шумлак, Ури и др. «Увеличение параметров плазмы с помощью стабилизации поперечного потока Z-пинча». Физика плазмы 24.5 (2017): 055702. https://doi.org/10.1063/1.4977468.
- ^ Центр. Семинар CENPA - Юэ Чжан - Устойчивое производство нейтронов из Z-пинча, стабилизированного сдвиговым потоком. Ютуб. Опубликовано в Интернете 12 августа 2019 г. По состоянию на 25 марта 2022 г. https://www.youtube.com/watch?v=b21pxLKnQ30 .
- ^ Jump up to: а б Шумлак, У. (27 мая 2020 г.). «Слияние Z-пинча» . Журнал прикладной физики . 127 (20). Издательство AIP: 200901. Бибкод : 2020JAP...127t0901S . дои : 10.1063/5.0004228 .
- ^ Кеннеди К. Эрик Мейер: Моделирование физики плазмы в концепции термоядерного синтеза Z-пинча. Ютуб. Опубликовано в Интернете 7 марта 2022 г. По состоянию на 19 мая 2022 г. https://www.youtube.com/watch?v=O96MQtpU9Gs.
- ^ Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. 4.96. ISBN 1-4398-5511-0