Driver fremtiden med hverdagsmetaller

Fusjonsforskning har fått stor oppmerksomhet. Bak utviklingen av fremtidige reaktorer ligger også arbeid med materialer som wolfram, kobber og litium. Metallene har ulike roller i vegger, elektriske systemer og brenselskretsløp.

WEST holdt varmt plasma i seks minutter i 2024

Den franske tokamaken WEST holdt plasma ved omtrent 50 millioner grader Celsius i seks minutter. Under forsøket ble 1,15 gigajoule energi tilført, 15 % mer enn tidligere, og plasmatettheten var dobbelt så høy. Gigajoule måler energi, ikke effekt. Forsøket demonstrerte plasmadrift, ikke netto strømproduksjon.

WEST drives av den franske kommisjonen for alternativ energi og atomenergi (CEA). WEST deltar i IAEAs samarbeid om utfordringer ved langvarig plasmadrift, 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 wolframveggen.”

– CEA‑forsker og CICLOP‑leder Xavier Litaudon

Grunnleggende om fusjon

Fusjon driver solen og andre stjerner. Lette atomkjerner kan smelte sammen og frigjøre energi. I en tokamak må plasmaet holdes varmt og stabilt nok til at tilstrekkelig mange slike reaksjoner finner sted.

Tokamaker bruker magnetfelt til å holde plasmaet i et ringformet kammer. Målet med kraftverksutviklingen er å produsere nyttig energi med et gunstig samlet energiregnskap. Det krever mer enn å demonstrere høy plasmatemperatur.

Imidlertid er det fortsatt en betydelig utfordring å opprettholde disse reaksjonene lenge nok til å hente ut nettoenergi. Plasmaet må varmes opp til svært høye temperaturer og holdes stabilt. Grafitt har vært brukt i flere forsøksanlegg, men kan holde tilbake for mye brensel til å være egnet i enkelte fremtidige reaktorer. Derfor undersøkes blant annet metalliske veggmaterialer.

Wolframvegger og reaktorrelevant forskning

WEST er kledd med wolfram, som holder tilbake mindre brensel enn karbon. Det er en fordel når tritium må gjenvinnes effektivt. Men dersom selv små mengder wolfram kommer inn i plasmaet, kan stråling fra urenhetene kjøle det raskt ned. Luis Delgado-Aparicio fra PPPL forklarer:

“Wolframveggmiljøet 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.”

WESTs seks minutter lange puls viste langvarig drift med wolframvegger. Forgjengeren Tore Supra oppnådde en litt lengre puls med grafittvegger; WEST-resultatet var derfor ikke dobbelt så langt som Tore Supras rekord. Verdien ligger blant annet i bruken av reaktorrelevante materialer.

Ny røntgendiagnostikk ga bedre målinger

Det rekordbrytende skuddet ble diagnostisert ved hjelp av et flerenergi røntgenkamera, ME-SXR. PPPL tilpasset detektorteknologi fra DECTRIS for å måle strålingen og utlede plasmaegenskaper.

“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

Kameraet målte åtte røntgenenergier mellom 11 og 18 kiloelektronvolt (keV). Ved å sammenligne intensitetene kunne forskerne beregne temperaturen med høy presisjon. Diagnostikken ble ikke forstyrret av radiofrekvensbølgene som brukes til oppvarming på samme måte som enkelte tidligere målinger.

ME-SXR bidrar til å beregne elektrontemperatur, plasmaladning og tetthet av urenheter, særlig wolfram fra veggene. Slike målinger er viktige for å optimalisere lange pulser i et anlegg med metallvegger. WEST-koordinator Rémi Dumont forklarer:

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

Rekordresultater åpner dører for reaktorutvikling

PPPL-teamet fant en stabil kjernetemperatur tilsvarende omtrent 4–4,5 keV, nær 50 millioner grader Celsius, under pulsen. Temperaturen uttrykkes her som en energi per partikkel, ikke som en elektrisk spenning i kilovolt.

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 wolfram‑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 

Materialer som støtter fusjonsutviklingen

Ulike deler av et fusjonsanlegg krever ulike materialegenskaper. Wolfram, kobber og litium er tre viktige eksempler.

Wolfram har et smeltepunkt på omtrent 3 422 °C, det høyeste blant metallene. Veggkomponenter må likevel kjøles; materialet skal ikke nå samme temperatur som plasmakjernen. Kinas Xiamen Tungsten Co., Ltd., notert på Shanghai Børs, er en av verdens ledende produsenter. 

Selskapet rapporterte i 2023 en omsetning på omtrent 39,398 milliarder yuan, ned 18,30 %, og et nettoresultat tilordnet aksjonærene på omtrent 1,602 milliarder yuan, opp 10,75 %. Produksjon av wolfram er relevant for flere industrier, men tallene viser ikke at selskapet er utpekt leverandør til bestemte fusjonsanlegg eller sikret investeringsavkastning.

Kobber har høy elektrisk og termisk ledningsevne. Det brukes blant annet i elektriske forbindelser og varmeavledning. I magnetanlegg kan kobber også inngå i komponenter rundt superledende systemer. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) er en stor USA-basert kobberprodusent. I 2023 rapporterte selskapet en omsetning på 22,855 milliarder dollar og et nettoresultat tilordnet ordinære aksjer på 1,848 milliarder dollar. Kobberetterspørsel fra blant annet strømnett, elektriske kjøretøy og fornybar energi er viktigere etablerte markeder enn fremtidig kommersiell fusjon.

Litium er det letteste metallet. I enkelte fusjonskonsepter kan litiumholdige tepper rundt plasmaet produsere tritium når litium reagerer med nøytroner. Denne rollen skyldes kjernefysikk, ikke først og fremst litiums elektrokjemiske egenskaper i batterier. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), en stor litiumprodusent, rapporterte rekordhøye årsinntekter på 9,62 milliarder dollar i 2023, en økning på 31 % fra året før.

Albemarles energilagringsvirksomhet hadde 35 % volumvekst i fjerde kvartal 2023, blant annet støttet av økt kapasitet ved La Negra i Chile. Dette er ikke volumveksten for hele året. Litiumpriser, etterspørsel og kostnader påvirket utsiktene, og selskapet la vekt på kostnadskontroll og finansiell fleksibilitet.

Kommersiell fusjon kan på sikt gi ny etterspørsel etter spesialiserte materialer. Størrelsen og tidspunktet er usikkert, og leverandørenes inntekter avhenger også av andre markeder og konkurranse.

Banebrytende partnerskap driver fremgang

Samarbeidet omfatter CEA, PPPL og DECTRIS. PPPLs diagnostikkutvikling ble støttet av amerikanske DOE-midler. WEST gir et viktig testmiljø for lange pulser med wolframvegger; det er ikke det eneste fusjonsanlegget som bruker wolfram.

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.”

Resultatet støtter CICLOPs arbeid med utfordringer ved langvarig plasmadrift. Samarbeidet samler erfaringer fra flere institusjoner og anlegg. Litaudon sa:

«Denne milepælen er et viktig steg mot CICLOP-programmets mål. PPPLs arbeid ved WEST er et godt eksempel.»

På vei mot ren fusjonsenergi

WESTs seks minutter lange puls i 2024 var et fremskritt i kontrollen av varmt plasma med wolframvegger. Diagnostikken gjør det mulig å undersøke temperatur og urenheter bedre. Resultatet beviser ikke i seg selv at anlegget kan levere netto fusjonskraft til nettet.

Et praktisk fusjonskraftverk krever samtidig kontroll av temperatur, tetthet, energitap, materialbelastning, varmeuttak og brenselskretsløp. Lang pulsvarighet er én av flere nødvendige egenskaper.

Fusjon kan på sikt bli en energikilde med lave klimagassutslipp under drift. Dersom de tekniske og økonomiske utfordringene løses, kan den bidra til å forbedre energisikkerhetenog støtte energiomstillingen. WEST og CICLOP viser hvordan internasjonalt samarbeid bidrar til forskningen.

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