Materiaalkunde
De toekomst aandrijven met alledaagse metalen
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Fusie-energie staat al een paar jaar in het nieuws, en de wetenschappelijke gemeenschap is enthousiast over futuristische reactoren. Maar achter de schermen maken enkele van de meest voorkomende metalen stilletjes de sprong van fusie van het laboratorium naar het elektriciteitsnet mogelijk. Wolfraam, koper en lithium – elementen waarmee we dagelijks in aanraking komen – blijken onmisbaar in de zoektocht naar onbeperkte schone energie.
WEST’s wolfraamtokamak WEST zet 6‑minuten fusie‑record
In een belangrijke mijlpaal voor fusie‑energie heeft het WEST (tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) apparaat in Frankrijk een nieuw record neergezet. WEST hield een fusieplasma op 50 miljoen graden Celsius gedurende zes minuten, met een injectie van 1,15 gigajoule vermogen. Deze prestatie verdubbelt de plasmadichtheid en levert 15 % meer energie dan het vorige record van WEST.
WEST wordt geëxploiteerd door de Franse Commissie voor Alternatieve Energieën en Atoomenergie (CEA). Het maakt deel uit van het IAEA-programma Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP). Het Amerikaanse Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) heeft een lange samenwerking met WEST en CICLOP.
“We moeten een nieuwe energiebron leveren, en die bron moet continu en permanent zijn. Dit zijn prachtige resultaten. We hebben een stationair regime bereikt ondanks dat we ons in een uitdagende omgeving bevinden vanwege deze wolfraamwand.”
– CEA-wetenschapper en CICLOP-voorzitter Xavier Litaudon
Basisprincipes van fusie
Fusie drijft de zon en sterren. Het treedt op wanneer lichte elementen zoals waterstof tot extreem hoge temperaturen worden verwarmd, waardoor plasma ontstaat. In deze toestand botsen de plasmadeeltjes en fuseren ze, waardoor grote hoeveelheden energie vrijkomen.
Op aarde gebruiken fusieapparaten, tokamaks genoemd, krachtige magnetische velden om het plasma in een donutvormige kamer te confineren. Het doel is een zelfonderhoudende fusie‑reactie te bereiken die meer energie genereert dan erin wordt gestoken, wat potentieel een vrijwel onbeperkte, veilige, koolstofvrije energiebron kan bieden.
Het handhaven van deze reacties lang genoeg om netto‑energie te winnen blijft echter een aanzienlijke uitdaging. Het plasma moet worden verwarmd tot temperaturen die heter zijn dan de kern van de zon en gedurende lange periodes stabiel worden gehouden. In tegenstelling tot de meeste tokamaks, die koolstof binnenwanden gebruiken die te veel brandstof vasthouden om reactor‑geschikt te zijn, worden alternatieve materialen onderzocht.
WEST’s wolfraamwanden: een reactor‑relevant vooruitgang
WEST is bekleed met wolfraam, een toonaangevende kandidaat voor toekomstige fusie‑reactoren. Wolfraam houdt veel minder brandstof vast dan koolstof, wat een noodzaak is voor een efficiënte reactorwerking. Echter, zelfs als wolfraam in het plasma wordt opgespoord, kan het snel afkoelen door straling. Luis Delgado-Aparicio van PPPL legt uit:
“De omgeving met een wolfraamwand is veel uitdagender dan het gebruik van koolstof. Dit is simpelweg het verschil tussen het proberen te pakken van je kitten thuis en het proberen te aaien van de wildste leeuw.”
Ondanks de moeilijkheid is de 6‑minuten recordshot van WEST met wolfraamwanden een grote stap vooruit. Het is twee keer zo lang als het record van WEST’s voorganger met koolstofwanden, Tore Supra. Het demonstreren van lange pulsen met reactor‑relevante materialen is cruciaal voor de doelen van CICLOP en toekomstige energiecentrales.
Nieuwe röntgendiagnostiek maakt doorbraak mogelijk
De recordbrekende shot werd gediagnosticeerd met behulp van een innovatief röntgenbeeldsysteem ontwikkeld door PPPL. De multi‑energy zachte röntgen (ME‑SXR) camera, gemaakt door DECTRIS, werd speciaal aangepast door PPPL om plasmagegevens in ongekende detail te meten.
“De röntgengroep in de afdeling Advanced Projects van PPPL ontwikkelt al deze innovatieve hulpmiddelen voor tokamaks en stellarators wereldwijd.”
– Delgado-Aparicio, hoofd geavanceerde projecten van PPPL
Typisch gebruiken fusiediagnostiek één of twee röntgenenergieniveaus. De ME‑SXR van PPPL neemt gelijktijdige metingen op acht energieniveaus tussen 11 en 18 kiloelectronvolt (keV). Dit bereik levert duidelijke gegevens over de plasmakern, terwijl interferentie van radiofrequentie‑verwarmingsgolven wordt uitgesloten.
De ME‑SXR meet direct de elektrontemperaturen in de plasmakern door intensiteiten op verschillende energieën te vergelijken. Het bepaalt ook de dichtheid van wolfraamverontreinigingen die vanuit de wanden migreren, wat cruciale gegevens zijn voor het optimaliseren van lange‑pulse operaties met metalen wanden. Volgens WEST‑coördinator Remi Dumont:
“Dit specifieke systeem is het eerste in zijn soort met energiediscriminatie. Het is spectaculair. Dankzij deze nieuwe metingen zullen we in staat zijn om het wolfraam in het plasma te meten en het transport van wolfraam van de wand naar de kern te begrijpen.”
Recordresultaten openen deuren voor reactorontwikkeling
Het PPPL‑team, geleid door Delgado-Aparicio en onderzoeker Tullio Barbui, ontdekte dat het WEST‑plasma gedurende de 6‑minuten shot een stabiele 4‑4,5 kilovolt (bijna 50 miljoen°C) in de kern bereikte. Zowel de verontreinigings‑ als temperatuurprofielen bleven stabiel.
Deze bevindingen werden bevestigd door geavanceerde simulaties van CEA‑wetenschappers. Volgens Litaudon:
“Deze energie‑resolutieve camera zal een nieuwe route openen op het gebied van analyse. Dankzij deze diagnostiek kunnen we dit probleem begrijpen en tot de kern van de fysica gaan voor zowel metingen als simulaties.”
PPPL en WEST streven ernaar hun controle over temperatuur en wolfraamverontreinigingen verder te verbeteren om nog langere, stabielere operaties mogelijk te maken. Bovendien deelt PPPL zijn ME‑SXR‑technologie met tokamaks wereldwijd om reactor‑relevant onderzoek te versnellen.
“De ME‑SXR is slechts een onderdeel van een bredere bijdrage van diagnostiek van PPPL aan CEA/WEST. Deze samenwerking helpt ons enorm. Met deze combinatie van diagnostiek zullen we zeer nauwkeurige metingen in het plasma kunnen uitvoeren en het in real‑time kunnen beheersen.”
– Dumont
Alledaagse metalen die fusie aandrijven: wolfraam, koper, lithium
Terwijl plasma de schijnwerpers krijgt, hangt de toekomst van fusie ook af van meer tastbare componenten. Drie metalen blijken essentieel: wolfraam, koper en lithium.
Wolfraam wordt gewaardeerd om zijn extreem hoge smeltpunt van 3422 °C, het hoogste van alle elementen. Dit stelt het in staat de verzengende hitte van fusie‑plasma’s te weerstaan. China’s Xiamen Tungsten Co., Ltd., genoteerd aan de Shanghai Stock Exchange, is een toonaangevende wereldwijde producent.
In 2023, ondanks een daling van 18,30 % in de operationele omzet tot 39,398 miljard yuan, zag het bedrijf een stijging van 10,75 % in de nettowinst toerekenbaar aan aandeelhouders, tot 1,602 miljard yuan. De uitbreiding van de productiecapaciteit en efficiëntieverbeteringen van Xiamen Tungsten versterken haar positie als belangrijke leverancier van hoogzuiver wolfraam voor fusietoepassingen, waardoor het een aantrekkelijke prospect voor investeerders is.
Koper is een cruciaal onderdeel van fusie‑elektronica vanwege zijn uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid. Magnetische spoelen, busbars en warmtewisselaars vertrouwen op koper om de intense stromen en hitte van fusie te beheren.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) de grootste beursgenoteerde koperproducent met hoofdkantoor in de Verenigde Staten, behield in 2023 een robuuste financiële gezondheid met een omzet van $24,6 miljard en een nettowinst van $4,2 miljard. De uitgebreide koperreserves, de toewijding aan duurzaamheid en technologische vooruitgang versterken haar groeivooruitzichten, met name door de stijgende vraag naar koper vanuit hernieuwbare energie en elektrische voertuigen.
Lithium, het lichtste metaal, wordt een vaste waarde in fusie vanwege zijn opmerkelijke elektrochemische potentie. Lithiumblanketten kunnen tritiumbrandstof produceren, en lithiumbatterijen kunnen fusie‑energie efficiënt opslaan. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), een grote lithiumproducent, rapporteerde in 2023 een recordjaaromzet van $9,62 miljard, een stijging van 31 % ten opzichte van het voorgaande jaar.
ALB Prijsgrafiek
Ondanks uitdagingen zoals de dalende vraag naar elektrische voertuigen en de dalende lithiumprijzen, zag Albemarles Energy Storage‑eenheid een indrukwekkende volumegroei van 35 %, voornamelijk dankzij de uitbreiding van de La Negra‑fabriek in Chili. De focus van het bedrijf op kostenreductie, financiële flexibiliteit en groeiinvesteringen positioneert het goed in de snelgroeiende lithiummarkt, hoewel de aandelenkoers het afgelopen jaar aanzienlijk is gedaald.
Naarmate fusie vordert, zal de vraag naar deze metalen sterk toenemen. Wolfraam, koper en lithium missen misschien de glans van plasma, maar ze vormen de ruggengraat van een heldere toekomst voor fusie. Producenten die in staat zijn om hoogzuivere materialen op schaal te leveren, kunnen een grote impuls krijgen nu het fusie‑tijdperk begint.
Vooruitstrevende partnerschappen drijven vooruitgang
Deze doorbraak is het resultaat van een samenwerking tussen toonaangevende fusie‑instituten. PPPL, een pionier in plasmadiagnostiek, ontwikkelde de ME‑SXR met financiering van DOE‑early‑career‑ en diagnostische ontwikkelingssubsidies. De WEST‑tokamak van CEA, ‘s werelds enige wolfraamwandapparaat voor het verkennen van lange‑duur shots, biedt een ideaal testplatform.
DECTRIS, een wereldleider in röntgendetectoren, leverde de kerntechnologie die PPPL heeft aangepast tot de nieuwe ME‑SXR. Volgens DECTRIS‑verkoopdirecteur Nicolas Pilet:
“De plasma‑fusiegemeenschap was een van de eersten die de hybride fotontellings‑technologie testte om plasmadynamiek te monitoren. We zijn enorm trots bij te dragen aan deze ontwikkeling met onze producten en zijn enthousiast over onze uitstekende samenwerking.”
Het WEST‑record is ook een triomf voor CICLOP, het IAEA‑programma dat wereldwijde inspanningen coördineert rond lange‑pulse uitdagingen. Door expertise en middelen te combineren, streeft CICLOP ernaar om systematisch de belangrijkste problemen op te lossen die continue fusie‑operaties belemmeren. Litaudon zei:
“Deze mijlpaal vertegenwoordigt een belangrijke stap richting de doelen van het CICLOP‑programma. Het werk van PPPL bij WEST is een uitstekend voorbeeld.”
Op weg naar schone fusie‑energie
Het WEST‑6‑minuten‑record met wolfraamwanden markeert aanzienlijke vooruitgang voor fusie‑energie. Het bevestigt dat tokamaks met reactor‑relevante materialen plasma duurzaam kunnen confineren op de temperaturen die nodig zijn voor praktische fusie‑energie. Nieuwe diagnostiek zoals de ME‑SXR van PPPL stelt onderzoekers in staat het plasma met ongekende precisie te meten en te optimaliseren.
Er is nog veel werk te doen om een levensvatbare fusie‑reactor te ontwikkelen. De pulsduur moet worden verlengd van minuten naar maanden, terwijl de dichtheid wordt verhoogd en de stabiliteit wordt behouden. Geavanceerde materialen, magneten en warmteterugwinningssystemen zijn essentieel. Wetenschappers zetten echter stap voor stap de enorme potentie van fusie om in realiteit.
Fusie heeft het potentieel om een veilige, koolstofvrije, vrijwel onuitputtelijke energiebron te bieden. Dit zou kunnen helpen de klimaatverandering te mitigeren, energiezekerheid te verbeteren, en het volgende tijdperk van menselijke ontwikkeling te ondersteunen. Over het geheel genomen, zoals WEST en CICLOP aantonen, is wereldwijde samenwerking de sleutel tot het overwinnen van de uitdagingen van fusie en het leveren van de enorme voordelen aan de wereld.
