Att driva framtiden med vardagsmetaller

Fusionsenergi har varit i nyheterna de senaste åren, och den vetenskapliga gemenskapen surrar om futuristiska reaktorer. Men bakom kulisserna möjliggör några av de mest vanliga metallerna tyst fusionens språng från laboratorium till elnätet. Volfram, koppar och litium – element som vi möter dagligen – visar sig vara oumbärliga i jakten på obegränsad ren energi.

Tungsten Tokamak WEST sätter 6‑minuters fusionsrekord

I ett stort milstolpe för fusionsenergi har WEST‑anläggningen (tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) i Frankrike slagit ett nytt rekord. WEST upprätthöll en fusionsplasma vid 50 miljoner grader Celsius i sex minuter och injicerade 1.15 gigajoule effekt. Denna prestation fördubblar plasmadensiteten och levererar 15 % mer energi än WEST:s tidigare rekord.
WEST drivs av den franska kommissionen för alternativa energier och atomenergi (CEA). Den är en del av IAEA:s Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP)-program. USA:s energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har ett långt partnerskap med WEST och CICLOP.

“Vi behöver leverera en ny energikälla, och källan bör vara kontinuerlig och permanent. Detta är vackra resultat. Vi har nått ett stationärt regime trots att vi befinner oss i en utmanande miljö på grund av denna volframvägg.”

– CEA-forskare och CICLOP‑ordförande Xavier Litaudon

Grunderna i fusion

Fusion driver solen och stjärnorna. Det sker när lätta element som väte värms upp till extremt höga temperaturer och bildar plasma. I detta tillstånd kolliderar plasmapartiklarna och fusionerar, vilket frigör stora mängder energi.

På jorden använder fusionsanordningar som kallas tokamaker kraftfulla magnetfält för att hålla plasma i en donutformad kammare. Målet är att uppnå en självförsörjande fusionsreaktion som genererar mer energi än som tillförs, vilket potentiellt kan erbjuda en praktiskt taget obegränsad, säker, koldioxidfri energikälla.

Att upprätthålla dessa reaktioner tillräckligt länge för att utvinna nettoenergi är dock en betydande utmaning. Plasman måste värmas till temperaturer som är varmare än solens kärna och hållas stabil under långa perioder. Till skillnad från de flesta tokamaker, som använder kolinre väggar som behåller för mycket bränsle för att vara reaktorbrukbara, utforskas alternativa material.

WEST:s volframväggar: Ett reaktorrelevant framsteg

WEST är fodrad med volfram, en ledande kandidat för framtida fusionsreaktorer. Volfram behåller mycket mindre bränsle än kol, vilket är nödvändigt för effektiv reaktorverksamhet. Men även om volfram spåras i plasma kan den snabbt kylas genom strålning. Luis Delgado-Aparicio från PPPL förklarar:

“Miljön med volframvägg är mycket mer utmanande än att använda kol. Detta är helt enkelt skillnaden mellan att försöka fånga din kattunge hemma och att försöka klappa den vildaste lejonet.”

Trots svårigheten är WEST:s 6‑minuters rekordskott med volframväggar ett stort steg framåt. Det är dubbelt så länge som rekordet i WEST:s kolväggade föregångare, Tore Supra. Att demonstrera långa pulser med reaktorrelevanta material är avgörande för CICLOP:s mål och framtida kraftverk.

Ny röntgendiagnostik möjliggör genombrott

Det rekordslåna skottet diagnostiserades med ett innovativt röntgenavbildningssystem utvecklat av PPPL. Den flerenergi mjuka röntgenkameran (ME‑SXR), tillverkad av DECTRIS, anpassades särskilt av PPPL för att mäta plasmans egenskaper i enastående detalj.

“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

Vanligtvis använder fusionsdiagnostik en eller två röntgenenergier. PPPL:s ME‑SXR tar samtidiga avläsningar vid åtta energinivåer mellan 11 och 18 kiloelectronvolt (keV). Detta intervall ger tydliga data om plasmakärnan samtidigt som det utesluter störningar från radiofrekvensvärmevågor.

ME‑SXR mäter direkt elektrontemperaturerna i plasmakärnan genom att jämföra intensiteter vid olika energier. Den bestämmer också densiteten av volframföroreningar som migrerar från väggarna, vilket är viktig data för att optimera långpulsversion med metallväggar. Enligt WEST-koordinator Remi Dumont:

“Detta specifika system är det första av sitt slag med energidiscrimination. Det är spektakulärt. Tack vare dessa nya mätningar kommer vi att kunna mäta volframen i plasma och förstå transporten av volfram från väggen till kärnan.”

Rekordresultat öppnar dörrar för reaktorteknik

PPPL‑teamet, lett av Delgado-Aparicio och forskaren Tullio Barbui, fann att WEST‑plasma nådde en stabil 4‑4,5 kilovolt (nära 50 miljoner °C) i kärnan under hela det 6‑minuters skottet. Både förorenings- och temperaturprofiler förblev stabila.

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

“Denna energiresolutiva kamera kommer att öppna en ny väg för analys. Tack vare dessa diagnostik kan vi förstå detta problem och gå till kärnan av fysiken för både mätning och simulering.”

PPPL och WEST siktar på att förbättra sin kontroll av temperatur och volframföroreningar ytterligare för att möjliggöra ännu längre, mer stabila operationer. Dessutom delar PPPL sin ME‑SXR‑teknik med tokamaker världen över för att påskynda reaktorrelevant forskning.

“ME‑SXR är bara en del av ett mer globalt bidrag av diagnostik från PPPL till CEA/WEST. Detta samarbete hjälper oss mycket. Med denna kombination av diagnostik kommer vi kunna utföra mycket exakta mätningar i plasma och kontrollera den 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 är uppskattat för sin extremt höga smältpunkt på 3422 °C, den högsta av alla grundämnen. Detta gör att den kan stå emot den brännande hettan i fusionsplasma. Kinas Xiamen Tungsten Co., Ltd., noterat på Shanghai Stock Exchange, är en ledande global producent.

År 2023, trots en minskning av rörelseintäkterna med 18,30 % till 39,398 miljarder yuan, såg företaget en ökning av nettoresultatet som kan hänföras till aktieägarna med 10,75 % och nådde 1,602 miljarder yuan. Xiamen Tungstens expansion av produktionskapacitet och effektivitetsförbättringar stärker dess position som en nyckelleverantör av högrenat volfram för fusionsapplikationer, vilket gör det till ett attraktivt alternativ för investerare.

Koppar är en nyckelkomponent i fusions elektronik på grund av sin enastående elektriska och termiska ledningsförmåga. Magnetiska spolar, bussbars och värmeväxlare förlitar sig alla på koppar för att hantera fusionens intensiva strömmar och värme.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), den största publikt handlade kopparproducenten med huvudkontor i USA, upprätthöll en stark finansiell hälsa 2023 med intäkter på 24,6 miljarder dollar och ett nettoresultat på 4,2 miljarder dollar. Företagets omfattande kopparreserver, engagemang för hållbarhet och tekniska framsteg stärker dess tillväxtutsikter, särskilt med den ökande efterfrågan på koppar från förnybar energi och elfordon.

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), a major lithium producer, reported a record annual revenue of $9.62 billion in 2023, a 31% increase from the previous year.

Trots utmaningar som minskad efterfrågan på elfordon och fallande litiumpriser såg Albemarles enhet för energilagring en imponerande volymökning på 35 %, främst från den utökade La Negra-anläggningen i Chile. Företagets fokus på kostnadsreducering, finansiell flexibilitet och tillväxtinvesteringar placerar det väl i den växande litiummarknaden, även om aktiekursen har sett en betydande nedgång under det senaste året.

Allteftersom fusionen utvecklas kommer efterfrågan på dessa metaller att skjuta i höjden. Volfram, koppar och litium kanske saknar plasmans glans, men de utgör ryggraden i fusionens ljusa framtid. Producenter som kan leverera högrenat material i stor skala kan se en stor uppgång när fusionseran inleds.

Banbrytande partnerskap driver framsteg

Detta genombrott växer fram ur ett samarbete mellan ledande fusionsinstitut. PPPL, en pionjär inom plasmadiagnostik, utvecklade ME‑SXR med finansiering från DOE:s tidiga karriär- och diagnostikutvecklingsbidrag. CEA:s WEST‑tokamak, världens enda volframväggade anläggning för att utforska långvariga pulser, erbjuder en ideal testbädd.

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

“Fusionsplasmakommuniteten var bland de första att testa den hybrida fotonräkningsteknologin för att övervaka plasmadynamik. Vi är oerhört stolta över att bidra till denna utveckling med våra produkter och är begeistrade över vårt utmärkta samarbete.”

WEST‑rekordet är också ett triumf för CICLOP, IAEA:s program som samordnar globala insatser kring långpulschallanden. Genom att kombinera expertis och resurser syftar CICLOP till att systematiskt lösa nyckelfrågor som hindrar kontinuerliga fusionsoperationer. 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 6‑minuters rekord med volframväggar markerar betydande framsteg för fusionsenergi. Det bekräftar att tokamaker med reaktorrelevanta material kan hållbart hålla plasma vid de temperaturer som krävs för praktisk fusionskraft. Nya diagnostikverktyg som PPPL:s ME‑SXR möjliggör för forskare att mäta och optimera plasma med enastående precision.

Det finns fortfarande mycket arbete kvar att göra för att utveckla en livskraftig fusionsreaktor. Pulslängderna måste förlängas från minuter till månader samtidigt som densiteten ökas och stabiliteten upprätthålls. Avancerade material, magneter och värmeutvinningssystem är avgörande. Dock förvandlar forskare fusionens enorma potential till verklighet steg för steg.

Fusion har potentialen att erbjuda en säker, koldioxidfri, praktiskt taget outtömlig energikälla. Detta kan hjälpa till att mildra klimatförändringarna, förbättra energisäkerheten, och stödja nästa era av mänsklig utveckling. Sammantaget, som WEST och CICLOP visar, är globalt samarbete nyckeln till att övervinna fusionens utmaningar och leverera dess enorma fördelar till världen.

Klicka här för att lära dig allt om investering i ädelmetaller.