Pagpapalakas ng Hinaharap gamit ang Pang-araw-araw na Metal

Ang enerhiya ng fusion ay nasa balita sa nakaraang ilang taon, at ang komunidad ng mga siyentipiko ay nag-uusap tungkol sa mga futuristikong reaktor. Ngunit sa likod ng mga eksena, ang ilan sa pinaka-pangkaraniwang metal ay tahimik na nagpapahintulot sa pagtalon ng fusion mula laboratoryo patungo sa grid. Ang tungsten, tanso, at lithium—mga elementong araw-araw nating nakikisalamuha—ay napatunayang napakahalaga sa paghahanap ng walang hanggang malinis na enerhiya.

Tungsten Tokamak WEST Nagtatakda ng 6-Minuto na Rekord sa Fusion

Sa isang malaking tagumpay para sa enerhiya ng fusion, ang aparato ng WEST (tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) sa Pransya ay nagtala ng bagong rekord. Pinanatili ng WEST ang plasma ng fusion sa 50 milyong antas Celsius sa loob ng anim na minuto, na nag-inject ng 1.15 gigajoule ng kapangyarihan. Ang tagumpaling ito ay nagdoble ng densidad ng plasma at naghatid ng 15% na higit na enerhiya kaysa sa nakaraang rekord ng WEST.

Ang WEST ay pinapatakbo ng French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA). Ito ay bahagi ng IAEA’s Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP) program. Ang U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory ay may matagal nang pakikipagtulungan sa WEST at CICLOP.

“Kailangan nating maghatid ng bagong pinagmumulan ng enerhiya, at dapat ito ay tuloy-tuloy at permanente. Magagandang resulta ito. Naabot namin ang isang istasyonaryong rehimen kahit na nasa isang hamong kapaligiran dahil sa pader na gawa sa tungsten na ito.”

– Siyentipiko ng CEA at upuan ng CICLOP na si Xavier Litaudon

Mga Batayan ng Fusion

Fusion ang nagbibigay ng enerhiya sa araw at mga bituin. Nangyayari ito kapag ang mga magagaan na elemento tulad ng hydrogen ay pinainit sa napakataas na temperatura, na bumubuo ng plasma. Sa kalagahang ito, nagbabanggaan at nagsasanib ang mga particle ng plasma, na naglalabas ng malaking dami ng enerhiya.

Sa Earth, ang mga aparato ng fusion na tinatawag na tokamak ay gumagamit ng malalakas na magnetic field upang i-kulong ang plasma sa isang silindro na hugis donut. Ang layunin ay makamit ang isang self-sustaining na reaksyon ng fusion na lumilikha ng mas maraming enerhiya kaysa inilalagay, na posibleng magbigay ng halos walang hanggan, ligtas, at carbon-free na pinagmumulan ng enerhiya.

Gayunpaman, ang pagpapanatili ng mga reaksiyong ito nang sapat na haba upang makuha ang netong enerhiya ay nananatiling malaking hamon. Ang plasma ay dapat painitin sa mga temperaturang mas mainit kaysa sa core ng araw at panatilihing matatag sa mahabang panahon. Hindi tulad ng karamihan ng mga tokamak, na gumagamit ng carbon na panloob na pader na nagtataglay ng labis na fuel na hindi angkop para sa reaktor, sinusuri ang mga alternatibong materyales.

Mga Pader na Tungsten ng WEST: Isang Hakbang na May Relevansiya sa Reaktor

Ang WEST ay may lining na tungsten, isang nangungunang kandidato para sa mga hinaharap na reaktor ng fusion. Ang tungsten ay nagtataglay ng napakakaunting fuel kumpara sa carbon, na kinakailangan para sa mahusay na operasyon ng reaktor. Gayunpaman, kahit na ang tungsten ay nasusubaybayan sa plasma, maaari itong mabilis na lumamig sa pamamagitan ng radiation. Ipinaliwanag ni Luis Delgado-Aparicio ng PPPL:

“Ang kapaligiran ng pader na gawa sa tungsten ay mas hamon kumpara sa paggamit ng carbon. Ito ay, simpleng-simpleng, ang pagkakaiba sa pagitan ng pagsubok na hulihin ang iyong kuting sa bahay kumpara sa pagsubok na hipuin ang pinakamalupit na leon.”

Sa kabila ng kahirapan, ang 6-minutong rekord ng WEST na may mga pader na tungsten ay isang malaking hakbang pasulong. Ito ay doble ang haba kumpara sa rekord ng naunang carbon-walled na WEST, ang Tore Supra. Ang pagpapakita ng mahabang pulse gamit ang mga materyales na may kahalagahan sa reaktor ay mahalaga para sa mga layunin ng CICLOP at mga susunod na planta ng kuryente.

Bagong X-ray Diagnostic na Nagbibigay ng Breakthrough

Ang rekord na shot ay na-diagnose gamit ang isang makabagong X-ray imaging system na binuo ng PPPL. Ang multi-energy soft X-ray (ME-SXR) camera, na gawa ng DECTRIS, ay espesyal na inangkop ng PPPL upang sukatin ang mga katangian ng plasma sa hindi pa nagagawang detalye.

“Ang X-ray group sa Advanced Projects Department ng PPPL ay nagde-develop ng lahat ng mga makabagong kasangkapang ito para sa mga tokamak at stellarator sa buong mundo.”

– Delgado-Aparicio, pinuno ng advanced projects ng PPPL

Karaniwan, ang mga diagnostic ng fusion ay gumagamit ng isa o dalawang antas ng enerhiya ng X-ray. Ang ME-SXR ng PPPL ay kumukuha ng sabay-sabay na pagbasa sa walong antas ng enerhiya mula 11 hanggang 18 kiloelectronvolts (keV). Ang saklaw na ito ay nagbibigay ng malinaw na datos sa core ng plasma habang inaalis ang interference mula sa mga radio-frequency heating wave.

Direktang sinusukat ng ME-SXR ang temperatura ng electron sa core ng plasma sa pamamagitan ng paghahambing ng intensity sa iba’t ibang enerhiya. Tinutukoy din nito ang densidad ng mga tungsten impurity na nagmumula sa mga pader, na mahalagang datos para sa pag-optimize ng long-pulse operation gamit ang metal na mga pader. Ayon kay Remi Dumont, coordinator ng WEST:

“Ang partikular na sistemang ito ay unang ganito na may energy discrimination. Ito ay kamangha-mangha. Salamat sa mga bagong sukatang ito, magkakaroon kami ng kakayahang sukatin ang tungsten sa loob ng plasma at maunawaan ang paglipat ng tungsten mula sa pader patungo sa core.”

Ang Rekord na Resulta ay Nagbubukas ng mga Pinto para sa Pag-unlad ng Reaktor

Natuklasan ng koponan ng PPPL, na pinamumunuan nina Delgado-Aparicio at mananaliksik na si Tullio Barbui, na ang plasma ng WEST ay umabot sa isang matatag na 4-4.5 kilovolts (halos 50 milyong°C) sa core sa buong 6-minutong shot. Ang parehong impurity at temperature profiles ay nanatiling matatag.

Ang mga natuklasang ito ay kinumpirma ng mga advanced na simulation mula sa mga siyentipiko ng CEA. Ayon kay Litaudon:

“Ang energy-resolving camera na ito ay magbubukas ng bagong daan sa pagsusuri. Salamat sa mga diagnostic na ito, mauunawaan natin ang problemang ito at mararating ang ugat ng pisika para sa parehong pagsukat at simulation.”

Layunin ng PPPL at WEST na mapabuti pa ang kontrol nila sa temperatura at tungsten impurities upang makamit ang mas mas mahahabang, mas matatag na operasyon. Dagdag pa, ibinabahagi ng PPPL ang teknolohiyang ME-SXR sa mga tokamak sa buong mundo upang mapabilis ang pananaliksik na may kahalagahan sa reaktor.

“Ang ME-SXR ay bahagi lamang ng mas malawak na kontribusyon ng mga diagnostic mula sa PPPL patungo sa CEA/WEST. Malaki ang tulong ng kolaborasyong ito. Sa kombinasyong ito ng mga diagnostic, magagawa naming magsagawa ng napaka-tumpak na mga sukat sa plasma at kontrolin ito nang real-time.”

– Dumont 

Pang-araw-araw na Metal na Nagpapalakas ng Fusion: Tungsten, Tanso, Lithium

Habang ang plasma ang nasa sentro, ang hinaharap ng fusion ay nakasalalay din sa mga mas konkretong sangkap nito. Tatlong metal ang napatunayang mahalaga: tungsten, tanso, at lithium.

Ang tungsten ay pinahahalagahan dahil sa napakataas nitong melting point na 3422°C, ang pinakamataas sa lahat ng elemento. Ito ay nagpapahintulot na tiisin nito ang napakainit na plasma ng fusion. Ang Xiamen Tungsten Co., Ltd. ng Tsina, na nakalista sa Shanghai Stock Exchange, ay isa sa mga nangungunang pandaigdigang prodyuser.

Noong 2023, sa kabila ng 18.30% pagbaba ng operating revenues sa 39.398 bilyong yuan, nakaranas ang kumpanya ng 10.75% pagtaas sa net profit na naaayon sa mga shareholders, umabot sa 1.602 bilyong yuan. Ang pagpapalawak ng kapasidad ng produksyon at pagpapabuti ng kahusayan ng Xiamen Tungsten ay nagpapalakas ng posisyon nito bilang pangunahing supplier ng mataas na puridad na tungsten para sa mga aplikasyon ng fusion, na ginagawa itong kaakit-akit na prospect para sa mga mamumuhunan.

Ang tanso ay isang mahalagang bahagi ng elektronikong fusion dahil sa kahanga-hangang electrical at thermal conductivity nito. Ang mga magnetic coil, busbar, at heat exchanger ay lahat ay umaasa sa tanso upang pamahalaan ang matinding kuryente at init ng fusion.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) ang pinakamalaking publicly traded na prodyuser ng tanso na nakabase sa United States, ay nagpapanatili ng matatag na kalusugan pinansyal noong 2023 na may revenue na $24.6 bilyon at net income na $4.2 bilyon. Ang malawak na reserba ng tanso ng kumpanya, pangako sa sustainability, at mga teknolohikal na pag-unlad ay nagpapalakas ng mga prospect ng paglago nito, lalo na sa pagtaas ng demand ng tanso mula sa renewable energy at mga electric vehicle.

Lithium, ang pinakamagaan na metal, ay nagiging pangunahing sangkap ng fusion dahil sa kahanga-hangang electrochemical potential nito. Ang mga lithium blanket ay maaaring mag-breed ng tritium fuel, at ang mga lithium battery ay maaaring epektibong mag-imbak ng enerhiya ng fusion. Ang Albemarle Corporation (ALB ) (ALB), isang pangunahing prodyuser ng lithium, ay nag-ulat ng rekord na taunang revenue na $9.62 bilyon noong 2023, isang 31% pagtaas mula sa nakaraang taon.

Sa kabila ng mga hamon tulad ng pagbaba ng demand para sa EV at pagbulusok ng presyo ng lithium, ang Energy Storage unit ng Albemarle ay nakakita ng kahanga-hangang 35% na paglago ng volume, pangunahing mula sa pinalawak nitong planta ng La Negra sa Chile. Ang pokus ng kumpanya sa pagbawas ng gastos, pinansyal na kakayahang umangkop, at mga pamumuhunan sa paglago ay naglalagay dito sa magandang posisyon sa lumalawak na merkado ng lithium, bagaman ang presyo ng kanilang shares ay nakaranas ng malaking pagbaba sa nakaraang taon.

Habang umuunlad ang fusion, ang demand para sa mga metal na ito ay inaasahang tataas nang husto. Ang tungsten, tanso, at lithium ay maaaring wala ang kinang ng plasma, ngunit sila ang bumubuo ng gulugod ng maliwanag na hinaharap ng fusion. Ang mga prodyuser na makakapag-supply ng mataas na puridad na materyales sa malakihang sukat ay maaaring makaranas ng malaking pag-angat habang nagsisimula ang panahon ng fusion.

Ang mga Pioneering na Pakikipagtulungan ay Nagpapalakas ng Progreso

Ang breakthrough na ito ay nagmula sa isang kolaborasyon sa pagitan ng mga nangungunang institusyon ng fusion. Ang PPPL, isang pioneer sa plasma diagnostics, ay nag-develop ng ME-SXR gamit ang pondo mula sa DOE early career at diagnostic development grants. Ang WEST tokamak ng CEA, ang nag-iisang tungsten-walled na aparato sa mundo para sa pagsubok ng long-duration shots, ay nagbibigay ng perpektong testbed.

Ang DECTRIS, isang pandaigdigang lider sa X-ray detectors, ay nagbigay ng core technology na inangkop ng PPPL sa bagong ME-SXR. Ayon kay Nicolas Pilet, Head of Sales ng DECTRIS:

“Ang komunidad ng plasma fusion ay isa sa mga unang nag-test ng hybrid photon counting technology upang subaybayan ang dynamics ng plasma. Kami ay lubos na ipinagmamalaki na makapag-ambag sa pag-unlad na ito gamit ang aming mga produkto at nasasabik sa aming mahusay na kolaborasyon.”

Ang rekord ng WEST ay isang tagumpay din para sa CICLOP, ang programa ng IAEA na nagko-coordinate ng pandaigdigang pagsisikap sa mga hamon ng long-pulse. Sa pamamagitan ng pagsasama ng kadalubhasaan at mga mapagkukunan, layunin ng CICLOP na sistematikong lutasin ang mga pangunahing isyu na pumipigil sa tuloy-tuloy na operasyon ng fusion. Sabi ni Litaudon:

“Ang milestone na ito ay kumakatawan sa isang mahalagang hakbang patungo sa mga layunin ng programa ng CICLOP. Ang trabaho ng PPPL sa WEST ay isang mahusay na halimbawa.”

Sa Landas patungo sa Malinis na Enerhiya ng Fusion

Ang 6-minutong rekord ng WEST na may mga pader na tungsten ay nagmamarka ng makabuluhang pag-unlad para sa enerhiya ng fusion. Pinapatunayan nito na ang mga tokamak na may mga materyales na may kahalagahan sa reaktor ay maaaring patuloy na i-kulong ang plasma sa mga temperaturang kinakailangan para sa praktikal na kapangyarihan ng fusion. Ang mga bagong diagnostic tulad ng ME-SXR ng PPPL ay nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na sukatin at i-optimize ang plasma nang may hindi pa nagagawang katumpakan.

Marami pa ang kailangang gawin upang makabuo ng isang viable na reaktor ng fusion. Kailangang palawigin ang tagal ng pulse mula minuto hanggang buwan habang pinapataas ang densidad at pinapanatili ang katatagan. Ang mga advanced na materyales, magnet, at mga sistema ng pagkuha ng init ay mahalaga. Gayunpaman, unti-unti nang ginagawa ng mga siyentipiko ang napakalaking potensyal ng fusion sa realidad, hakbang sa hakbang.

Ang fusion ay may potensyal na magbigay ng isang ligtas, carbon-free, halos hindi mauubos na pinagmumulan ng enerhiya. Ito ay maaaring makatulong sa pag-attenuate ng pagbabago ng klima, mapabuti ang seguridad ng enerhiya, at suportahan ang susunod na yugto ng pag-unlad ng sangkatauhan. Sa kabuuan, tulad ng ipinapakita ng WEST at CICLOP, ang pandaigdigang kolaborasyon ay susi sa pagtagumpayan ang mga hamon ng fusion at maihatid ang napakalaking benepisyo nito sa mundo.

I-click dito upang matutunan ang lahat tungkol sa pamumuhunan sa mahahalagang metal.