Driver fremtiden med hverdagsmetaller

Fusjonsenergi har vært i nyhetene de siste årene, og den vitenskapelige verden er i full gang med å snakke om futuristiske reaktorer. Men bak kulissene gjør noen av de mest vanlige metallene stille en viktig jobb med å muliggjøre fusjonens sprang fra laboratorium til strømnettet. Tungsten, kobber og litium – elementer vi møter daglig – viser seg å være uunnværlige i jakten på ubegrenset ren energi.

Tungsten Tokamak WEST setter 6‑minutters fusjonsrekord

I en viktig milepæl for fusjonsenergi har WEST‑enheten (tungsten (W) Environment in Steady‑state Tokamak) i Frankrike satt en ny rekord. WEST holdt en fusjonsplasma på 50 millioner grader Celsius i seks minutter, og injiserte 1,15 gigajoule med kraft. Denne prestasjonen dobler plasmadensiteten og leverer 15 % mer energi enn WESTs tidligere rekord.

WEST drives av det franske kommisjonen for alternative energier og atomenergi (CEA). Det er en del av IAEA‑programmet Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP). Det amerikanske energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory har et langt partnerskap med WEST og CICLOP.

“Vi må levere en ny energikilde, og kilden bør være kontinuerlig og permanent. Dette er vakre resultater. Vi har nådd et stasjonært regime til tross for at vi befinner oss i et utfordrende miljø på grunn av denne tungstenveggen.”

– CEA‑forsker og CICLOP‑leder Xavier Litaudon

Grunnleggende om fusjon

Fusion driver solen og stjernene. Det oppstår når lette elementer som hydrogen varmes opp til ekstremt høye temperaturer, og danner plasma. I denne tilstanden kolliderer plasmapartiklene og fusjonerer, og frigjør store mengder energi.

På jorden bruker fusjonsanordninger som kalles tokamaker kraftige magnetfelt for å holde plasmaet i en donut‑formet kammer. Målet er å oppnå en selvopprettholdende fusjonsreaksjon som genererer mer energi enn som tilføres, og potensielt gir en praktisk ubegrenset, sikker, karbonfri energikilde.

Imidlertid er det fortsatt en betydelig utfordring å opprettholde disse reaksjonene lenge nok til å hente ut nettoenergi. Plasmaet må varmes opp til temperaturer som er høyere enn solens kjerne og holdes stabilt over lange perioder. I motsetning til de fleste tokamaker, som bruker karboninnervegger som holder på for mye drivstoff for å være reaktor‑egnet, utforskes alternative materialer.

WESTs tungstenvegger: Et reaktorrelevant fremskritt

WEST er kledd med tungsten, en ledende kandidat for fremtidige fusjonsreaktorer. Tungsten holder på langt mindre drivstoff enn karbon, noe som er nødvendig for effektiv reaktorvirkning. Men selv om tungsten spores i plasmaet, kan det raskt kjøles ned gjennom stråling. Luis Delgado‑Aparicio fra PPPL forklarer:

“Tungstenveggmiljøet er langt mer utfordrende enn å bruke karbon. Dette er, enkelt sagt, forskjellen mellom å prøve å fange kattungen din hjemme og å prøve å klappe den villeste løven.”

Til tross for vanskeligheten er WESTs 6‑minutters rekordskudd med tungstenvegger et stort fremskritt. Det er dobbelt så langt som rekorden i WESTs karbonvegge‑forløper, Tore Supra. Å demonstrere lange pulser med reaktorrelevante materialer er avgjørende for CICLOPs mål og fremtidige kraftverk.

Ny røntgendiagnostikk muliggjør gjennombrudd

Det rekordbrytende skuddet ble diagnostisert ved hjelp av et innovativt røntgenavbildningssystem utviklet av PPPL. Det flerenergi myke røntgen‑kameraet (ME‑SXR), laget av DECTRIS, ble spesielt tilpasset av PPPL for å måle plasmaegenskaper i enestående detalj.

“Røntgen‑gruppen i PPPLs avdeling for avanserte prosjekter utvikler alle disse innovative verktøyene for tokamaker og stellaratorer over hele verden.”

– Delgado‑Aparicio, PPPLs leder for avanserte prosjekter

Vanligvis bruker fusjonsdiagnostikk én eller to røntgenenerginivåer. PPPLs ME‑SXR tar samtidige målinger på åtte energinivåer mellom 11 og 18 kiloelectronvolt (keV). Dette spekteret gir klare data om plasmakjernen samtidig som det ekskluderer interferens fra radiofrekvens‑varme‑bølger.

ME‑SXR måler direkte elektrontemperaturene i plasmakjernen ved å sammenligne intensiteter ved ulike energier. Den fastslår også tettheten av tungsten‑forurensninger som migrerer fra veggene, noe som er viktig data for å optimalisere langtids‑puls‑drift med metallvegger. Ifølge WEST‑koordinator Remi Dumont:

“Dette spesielle systemet er det første av sitt slag med energiskillelse. Det er spektakulært. Takket være disse nye målingene vil vi kunne måle tungstenet i plasmaet og forstå transporten av tungsten fra veggen til kjernen.”

Rekordresultater åpner dører for reaktorutvikling

PPPL‑teamet, ledet av Delgado‑Aparicio og forsker Tullio Barbui, fant at WEST‑plasmaet oppnådde en stabil 4‑4,5 kilovolt (nesten 50 millioner °C) i kjernen gjennom hele 6‑minutters skuddet. Både forurensnings‑ og temperaturprofiler forble stabile.

Disse funnene ble bekreftet av avanserte simuleringer fra CEA‑forskerne. Ifølge Litaudon:

“Dette energiresolverte kameraet vil åpne en ny vei innen analyse. Takket være disse diagnostikkene kan vi forstå dette problemet og gå til kjernen av fysikken for både måling og simulering.”

PPPL og WEST har som mål å forbedre kontrollen av temperatur og tungsten‑forurensninger ytterligere for å muliggjøre enda lengre og mer stabile operasjoner. I tillegg deler PPPL sin ME‑SXR‑teknologi med tokamaker over hele verden for å fremskynde reaktorrelevant forskning. 

“ME‑SXR er bare en del av et mer globalt bidrag av diagnostikk fra PPPL til CEA/WEST. Dette samarbeidet hjelper oss mye. Med denne kombinasjonen av diagnostikk vil vi kunne utføre svært nøyaktige målinger i plasmaet og kontrollere det i sanntid.”

– Dumont 

Hverdagsmetaller som driver fusjon: Tungsten, kobber, litium

Mens plasmaet får rampelyset, avhenger fusjonens fremtid også av dens mer håndgripelige komponenter. Tre metaller viser seg å være essensielle: tungsten, kobber og litium.

Tungsten verdsettes for sitt ekstremt høye smeltepunkt på 3422 °C, det høyeste av alle elementer. Dette gjør at det kan tåle den brennende varmen fra fusjonsplasmaer. Kinas Xiamen Tungsten Co., Ltd., notert på Shanghai Børs, er en av verdens ledende produsenter. 

I 2023, til tross for en nedgang på 18,30 % i driftsinntektene til 39,398 milliarder yuan, så selskapet en økning på 10,75 % i nettoresultat til aksjonærene, som nådde 1,602 milliarder yuan. Xiamen Tungstens utvidelse av produksjonskapasitet og effektivisering styrker posisjonen som en viktig leverandør av høy‑renhet tungsten for fusjonsapplikasjoner, og gjør det til et attraktivt investeringsobjekt.

Kobber er en hjørnestein i fusjonselektronikk på grunn av sin fremragende elektriske og termiske ledningsevne. Magnetiske spoler, bussbarer og varmevekslere er avhengige av kobber for å håndtere fusjonens intense strømmer og varme. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) den største børsnoterte kobberprodusenten med hovedkontor i USA, opprettholdt solid finansiell helse i 2023 med inntekter på 24,6 milliarder dollar og et nettoresultat på 4,2 milliarder dollar. Selskapets omfattende kobberreserver, engasjement for bærekraft og teknologiske fremskritt styrker vekstutsiktene, spesielt med økende etterspørsel etter kobber fra fornybar energi og elektriske kjøretøy.

Lithium, the lightest metal, is becoming a fusion mainstay due to its remarkable electrochemical potential. Lithium blankets can breed tritium fuel, and lithium batteries can efficiently store fusion power. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), a major lithium producer, reported a record annual revenue of $9.62 billion in 2023, a 31% increase from the previous year.

Til tross for utfordringer som nedgangen i etterspørselen etter el‑biler og fallende litiumpriser, opplevde Albemarles enhet for energilagring en imponerende volumvekst på 35 %, hovedsakelig fra den utvidede La Negra‑anlegget i Chile. Selskapets fokus på kostnadsreduksjon, finansiell fleksibilitet og vekstinvesteringer posisjonerer det godt i det voksende litiummarkedet, selv om aksjekursen har sett en betydelig nedgang det siste året.

Etter hvert som fusjon utvikler seg, vil etterspørselen etter disse metallene skyte i været. Tungsten, kobber og litium mangler kanskje plasmaets glans, men de utgjør ryggraden i fusjonens lyse fremtid. Produsenter som kan levere høy‑renhetsmaterialer i stor skala kan forvente en betydelig oppsving når fusjonsepoken begynner.

Banebrytende partnerskap driver fremgang

Dette gjennombruddet vokser frem fra et samarbeid mellom ledende fusjonsinstitutter. PPPL, en pioner innen plasmadiagnostikk, utviklet ME‑SXR med finansiering fra DOE‑tidlige karriere‑ og diagnostikkutviklingsmidler. CEA‑s WEST‑tokamak, verdens eneste enhet med tungstenvegger for å utforske langvarige pulser, gir et ideelt testmiljø.

DECTRIS, en verdensledende leverandør av røntgendetektorer, leverte kjerneteknologien som PPPL tilpasset til den nye ME‑SXR. Ifølge DECTRIS salgsdirektør Nicolas Pilet:

“Plasmafusionssamfunnet var blant de første som testet hybrid‑fotontellings‑teknologien for å overvåke plasmadynamikk. Vi er utrolig stolte av å bidra til denne utviklingen med våre produkter og er begeistret for vårt fremragende samarbeid.”

WEST‑rekorden er også en triumf for CICLOP, IAEA‑programmet som koordinerer globale innsats på lang‑puls‑utfordringer. Ved å kombinere ekspertise og ressurser, har CICLOP som mål å systematisk løse nøkkelproblemer som hindrer kontinuerlig fusjonsdrift. Litaudon sa:

“Dette milepælet representerer et viktig steg mot CICLOP‑programmets mål. PPPLs arbeid ved WEST er et utmerket eksempel.”

På vei mot ren fusjonsenergi

WESTs 6‑minutters rekord med tungstenvegger markerer betydelig fremgang for fusjonsenergi. Den bekrefter at tokamaker med reaktorrelevante materialer kan holde plasmaet på temperaturer som er nødvendige for praktisk fusjonskraft på en bærekraftig måte. Ny diagnostikk som PPPLs ME‑SXR gjør det mulig for forskere å måle og optimalisere plasmaet med enestående presisjon.

Det er fortsatt mye arbeid som må gjøres for å utvikle en levedyktig fusjonsreaktor. Pulsvarighetene må forlenges fra minutter til måneder samtidig som tettheten økes og stabiliteten opprettholdes. Avanserte materialer, magneter og varmetrekkingssystemer er avgjørende. Likevel gjør forskerne fusjonens enorme potensial til virkelighet steg for steg.

Fusjon har potensialet til å levere en sikker, karbonfri, praktisk talt uuttømmelig energikilde. Dette kan bidra til å dempe klimaendringene, forbedre energisikkerheten, og støtte neste epoke av menneskelig utvikling. Alt i alt, som WEST og CICLOP viser, er globalt samarbeid nøkkelen til å overvinne fusjonens utfordringer og levere dens enorme fordeler til verden.

Klikk her for å lære alt om investering i edle metaller.