Att driva framtiden med vardagsmetaller

Fusionsenergi har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Bakom forskningen om framtida reaktorer finns välkända metaller som volfram, koppar och litium. Deras materialegenskaper är viktiga för utvecklingen, även om kommersiell fusionsel ännu återstår att demonstrera.

Tokamaken WEST med volframväggar når en sex minuter lång plasmapuls

I ett försök som rapporterades 2024 höll den franska anläggningen WEST ett hett plasma vid omkring 50 miljoner grader Celsius i sex minuter. Den tillförda energin var 1,15 gigajoule, inte en effekt på 1,15 gigajoule. Försöket demonstrerade långvarig plasmadrift, inte ett kraftverk som levererade nettoel.
WEST drivs av den franska myndigheten för alternativ energi och atomenergi, CEA. Anläggningen deltar i IAEA:s program CICLOP för utmaningar vid långvarig drift. USA:s energidepartements Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har ett långvarigt samarbete med WEST och CICLOP.

”Vi behöver ta fram en ny energikälla, och den bör vara kontinuerlig och varaktig. Det här är fina resultat. Vi har uppnått ett stationärt tillstånd trots den krävande miljö som volframväggen skapar.”

– CEA-forskare och CICLOP‑ordförande Xavier Litaudon

Grunderna i fusion

Fusion driver solen och stjärnorna. Vid fusion förenas lätta atomkärnor och frigör energi. I magnetisk fusionsforskning värms bränslet till ett plasma, där tillräckligt energirika kärnor kan övervinna sin elektriska repulsion och fusionera.

Tokamaker använder starka magnetfält för att hålla plasmat i en ringformad kammare. Ett framtida kraftverk måste producera mer användbar energi än hela anläggningen förbrukar. Forskningen syftar till en energikälla med låga utsläpp under drift, men teknik, material, bränsleförsörjning och ekonomi återstår att lösa.

En central utmaning är att hålla plasmat tillräckligt varmt och stabilt under lång tid. Material i kammarens väggar påverkar både bränslebalansen och föroreningarna i plasmat. Kol kan hålla kvar för mycket bränsle, vilket är en anledning att studera metallväggar.

WEST:s volframväggar: Ett reaktorrelevant framsteg

WEST har volfram i komponenter som vetter mot plasmat. Metallen håller kvar mindre bränsle än kol, men även små mängder volframföroreningar i plasmat kan orsaka kraftig strålningskylning. PPPL:s Luis Delgado-Aparicio beskriver utmaningen:

”En miljö med volframväggar är mycket mer krävande än en med kol. Det är som skillnaden mellan att fånga sin kattunge hemma och att försöka klappa det vildaste lejonet.”

Den långa pulsen visar framsteg i drift med reaktorrelevanta material. Resultatet ska bedömas tillsammans med temperatur, densitet, uppvärmning och föroreningskontroll; pulslängden ensam visar inte att kommersiell fusionskraft har uppnåtts.

Ny röntgendiagnostik möjliggör genombrott

Under rekordförsöket användes ett röntgenavbildningssystem som PPPL utvecklat med detektorteknik från DECTRIS. Kameran för mjukröntgen vid flera energier, ME-SXR, anpassades för att undersöka plasmats egenskaper.

“Röntgengruppen i PPPL:s avdelning för avancerade projekt utvecklar alla dessa innovativa verktyg för tokamaker och stellaratorer världen över.”

– Delgado-Aparicio, PPPL:s chef för avancerade projekt

ME-SXR registrerar röntgenstrålning i flera energiintervall. Mätningarna ger information om elektrontemperatur och föroreningar i plasmakärnan och hjälper forskarna att skilja relevanta signaler från störningar.

Genom att jämföra strålningsintensiteten vid olika energier kan forskarna bestämma elektrontemperaturen och uppskatta mängden volframföroreningar. Det är viktigt för att förbättra långpulsdrift med metallväggar. WEST-samordnaren Rémi Dumont förklarar:

”Det här systemet är det första av sitt slag med energidiskriminering. Det är spektakulärt. Med de nya mätningarna kan vi mäta volfram i plasmat och förstå hur det transporteras från väggen till kärnan.”

Rekordresultat öppnar dörrar för reaktorteknik

PPPL-teamet undersökte elektrontemperaturen i kärnan under den sex minuter långa pulsen. Den rapporterade nivån 4–4,5 kiloelektronvolt, ungefär 50 miljoner grader Celsius, är ett energimått som används för plasmatemperatur. Enheten är keV, inte kilovolt.

Dessa fynd bekräftades av avancerade simuleringar från CEA‑forskare. Enligt Litaudon:

”Den här energiupplösta kameran öppnar en ny väg för analys. Med dessa diagnostiska verktyg kan vi förstå problemet och undersöka fysiken med både mätningar och simuleringar.”

PPPL och WEST arbetar med bättre kontroll av temperatur och volframföroreningar för längre och stabilare plasmapulser. Diagnostik utvecklad i samarbetet kan också användas vid andra tokamaker.

”ME-SXR är en del av PPPL:s bredare bidrag av diagnostiska verktyg till CEA/WEST. Samarbetet hjälper oss mycket. Kombinationen av verktyg gör att vi kan mäta plasmat mycket noggrant och styra det i realtid.”

– Dumont 

Vardagsmetaller som driver fusion: Volfram, koppar, litium

Medan plasma får rampljuset, beror fusionens framtid också på dess mer påtagliga komponenter. Tre metaller visar sig vara avgörande: volfram, koppar och litium.

Volfram har en smältpunkt på omkring 3 422 °C, den högsta bland metaller. Det tål hög värmebelastning i komponenter som vetter mot plasmat, men väggen måste ändå skyddas och kylas; den når inte plasmats temperatur. Kinesiska Xiamen Tungsten Co., Ltd., som är noterat på Shanghai-börsen, är en producent av volfram och andra material.

För 2023 redovisade Xiamen Tungsten en omsättning på cirka 39,398 miljarder yuan, en minskning med 18,30 procent, och ett nettoresultat hänförligt till aktieägarna på cirka 1,602 miljarder yuan, en ökning med 10,75 procent. Bolagets breda materialverksamhet innebär att dess resultat inte enbart beror på framtida fusionstillämpningar.

Koppar används i elektriska och värmeledande komponenter tack vare sin höga elektriska och termiska ledningsförmåga. Exempel är strömskenor, värmeväxlare och delar av magnetsystem. Vilka material som behövs varierar mellan reaktorkonstruktioner.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) en stor amerikansk börsnoterad kopparproducent, redovisade för 2023 intäkter på 22,855 miljarder dollar och ett nettoresultat hänförligt till stamaktieägarna på 1,848 miljarder dollar. Efterfrågan från elnät, förnybar energi och elfordon kan vara betydelsefull, men metallpriser, kostnader och investeringar påverkar också resultatet.

Litium är den lättaste metallen. I framtida deuterium–tritiumreaktorer kan neutroner reagera med litium i ett bränsleproducerande täcke för att bilda tritium. Den kärnfysikaliska funktionen skiljer sig från litiums elektrokemiska roll i batterier. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), en stor litiumproducent, redovisade rekordhöga årsintäkter på 9,62 miljarder dollar 2023, en ökning med 31 % jämfört med föregående år.

Albemarles energilagringsverksamhet ökade sina försäljningsvolymer med 35 procent under 2023, samtidigt som lägre litiumpriser pressade verksamheten mot slutet av året. För helåret bidrog utökad kapacitet och kontrakterad förädling till volymökningen. Framtida utveckling beror på bland annat priser, efterfrågan och kostnader.

Om kommersiell fusion byggs ut kan efterfrågan på vissa metaller öka. Tidpunkt och omfattning är osäkra, och dagens efterfrågan kommer främst från andra marknader. Fusionens potential innebär därför ingen garanti för högre vinster eller aktiekurser hos materialproducenter.

Banbrytande partnerskap driver framsteg

Samarbetet kombinerar CEA:s erfarenhet av tokamakdrift med PPPL:s plasmadiagnostik och DECTRIS detektorteknik. WEST är en viktig försöksanläggning för långa pulser med volframkomponenter.

DECTRIS, en världsledande leverantör av röntgendetektorer, levererade kärnteknologin som PPPL anpassade till den nya ME‑SXR. Enligt DECTRIS:s försäljningschef Nicolas Pilet:

”Fusionsforskarna var bland de första att pröva hybridteknik för fotonräkning för att följa plasmadynamik. Vi är mycket stolta över att bidra med våra produkter och glada över det goda samarbetet.”

Resultatet bidrar också till CICLOP, IAEA:s internationella samarbete om utmaningar vid långvarig plasmadrift. Genom att dela kunskap och resurser kan forskarna angripa problem som begränsar stabil drift. Litaudon sade:

“Denna milstolpe representerar ett viktigt steg mot CICLOP-programmets mål. PPPL:s arbete vid WEST är ett utmärkt exempel.”

På vägen mot ren fusionsenergi

WEST:s långa plasmapuls med volframkomponenter visar framsteg i styrning och diagnostik under reaktorrelevanta förhållanden. Den visar inte i sig att villkoren för ett praktiskt fusionskraftverk är uppfyllda. Verktyg som ME-SXR hjälper forskarna att undersöka vad som fortfarande begränsar driften.

Ett livskraftigt kraftverk kräver mer än längre pulser: rätt temperatur, densitet och energiinneslutning, hållbara material, bränsleförsörjning samt fungerande värmeutvinning. Kontinuerlig drift eller upprepade pulser måste också vara tekniskt och ekonomiskt hållbara.

Fusion skulle kunna bidra till energiförsörjning med låga utsläpp under drift. Om tekniken blir kommersiellt användbar kan den hjälpa till att begränsa klimatförändringarna, förbättra energisäkerheten och komplettera andra energikällor. WEST och CICLOP visar hur internationellt samarbete kan bidra till att lösa de återstående forskningsproblemen.

Klicka här för att läsa om investeringar i ädelmetaller.