מדעי החומר
מחזקים את העתיד עם מתכות יומיומיות
Securities.io מקפיד על סטנדרטים מחמירים של עריכה ועשוי לקבל פיצוי מקישורים שנבדקו. איננו יועצי השקעות רשומים וזה אינו ייעוץ השקעות. אנא עיינו באתר שלנו גילוי נאות.
אנרגיית היתוך הייתה בחדשות בשנתיים האחרונות, והאחווה המדעית רוחשת על כורים עתידניים. אבל מאחורי הקלעים, כמה מהמתכות הנפוצות ביותר מאפשרות בשקט את הקפיצה של היתוך מהמעבדה לרשת החשמל. טונגסטן, נחושת וליתיום - יסודות שאנו מקיימים איתם אינטראקציה מדי יום - מוכיחים את עצמם כהכרחיים בחיפוש אחר אנרגיה נקייה בלתי מוגבלת.
טונגסטן Tokamak WEST קובע שיא פיוז'ן של 6 דקות
באבן דרך משמעותית בתחום אנרגיית ההיתוך, מכשיר WEST (סביבת טונגסטן (W) במצב יציב טוקאמאק) בצרפת קבע שיא חדש. WEST שמרה על פלזמת היתוך בטמפרטורה של 50 מיליון מעלות צלזיוס במשך שש דקות, והזריקה 1.15 ג'יגה-ג'אול של הספק. הישג זה מכפיל את צפיפות הפלזמה ומספק 15% יותר אנרגיה מהשיא הקודם של WEST.
מַעֲרָב מופעל על ידי הוועדה הצרפתית לאנרגיות חלופיות ואנרגיה אטומית (CEA). זהו חלק מתוכנית התיאום של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (CICLOP) בנושא אתגרים בינלאומיים בפעילות ארוכת טווח. משרד האנרגיה האמריקאי מעבדת הפיזיקה לפליזמה בפרינסטון (PPPL) יש שותפות ארוכה עם WEST ו-CICLOP.
"אנחנו צריכים לספק מקור חדש של אנרגיה, והמקור צריך להיות רציף וקבוע. אלו תוצאות יפות. הגענו למשטר נייח למרות שהיינו בסביבה מאתגרת בגלל קיר הטונגסטן הזה".
– מדען CEA ויו"ר CICLOP Xavier Litaudon
יסודות פיוז'ן
היתוך מפעיל את השמש והכוכבים. זה מתרחש כאשר יסודות קלים כמו מימן מחוממים לטמפרטורות גבוהות במיוחד, ויוצרים פלזמה. במצב זה, חלקיקי הפלזמה מתנגשים ומתמזגים, ומשחררים כמויות גדולות של אנרגיה.
על פני כדור הארץ, מכשירי היתוך הנקראים טוקאמקים משתמשים בשדות מגנטיים רבי עוצמה כדי להגביל את הפלזמה בתא בצורת סופגניה. המטרה היא להשיג תגובת היתוך מקיימת עצמית המייצרת יותר אנרגיה ממה שמוכנסת, מה שעלול לספק מקור אנרגיה כמעט בלתי מוגבל, בטוח ונטול פחמן.
עם זאת, שמירה על תגובות אלה מספיק זמן כדי להפיק אנרגיה נטו נותרה אתגר משמעותי. יש לחמם את הפלזמה לטמפרטורות חמות יותר מליבת השמש ונשמרות יציבות למשך תקופות ארוכות. שלא כמו רוב הטוקאמאקים, המשתמשים בדפנות פנימיות פחמן שאוצרות יותר מדי דלק מכדי להיות ברי קיימא לכורים, חומרים חלופיים זמינים נחקרים.
קירות הטונגסטן של WEST: התקדמות רלוונטית לכור
מַעֲרָב מרופדת עם טונגסטן, מועמד מוביל לכורי היתוך עתידיים. טונגסטן שומר הרבה פחות דלק מפחמן, שהוא הכרחי לתפעול יעיל של הכור. עם זאת, גם אם טונגסטן נמצא במעקב בפלזמה, הוא יכול להתקרר במהירות באמצעות קרינה. לואיס דלגדו-אפריסיו מ-PPPL מסביר:
"סביבת הקיר טונגסטן מאתגרת הרבה יותר משימוש בפחמן. זה, פשוט, ההבדל בין ניסיון לתפוס את החתלתול שלך בבית לעומת ניסיון ללטף את האריה הפרוע ביותר."
למרות הקושי, צילום השיא של WEST בן 6 הדקות עם קירות טונגסטן הוא צעד משמעותי קדימה. הוא כפול מהשיא בקודמו של WEST עם קירות פחמן, Tore Supra. הדגמת פולסים ארוכים עם חומרים רלוונטיים לכורים היא קריטית למטרות של CICLOP ולתחנות כוח עתידיות.
אבחון רנטגן חדש מאפשר פריצת דרך
יריית הגדרת השיא אובחן באמצעות מערכת הדמיית רנטגן חדשנית שפותחה על ידי PPPL. מצלמת רנטגן רכה (ME-SXR) מרובה אנרגיה, מתוצרת DECTRIS, הותאמה במיוחד על ידי PPPL למדידת תכונות פלזמה בפירוט חסר תקדים.
"קבוצת רנטגן במחלקת הפרויקטים המתקדמים של PPPL מפתחת את כל הכלים החדשניים הללו עבור טוקאמאקים וסטלרטורים ברחבי העולם."
– דלגאדו-אפריסיו, ראש פרויקטים מתקדמים ב-PPPL
בדרך כלל, אבחון היתוך משתמש ברמת אנרגיה אחת או שתיים של קרני רנטגן. ה-ME-SXR של PPPL מבצע קריאות בו זמנית בשמונה רמות אנרגיה בין 11 ל-18 קילואלקטרון-וולט (keV). טווח זה מספק נתונים ברורים על ליבת הפלזמה תוך אי הכללת הפרעות מגלי חימום בתדרי רדיו.
ה-ME-SXR מודד ישירות את טמפרטורות האלקטרונים בליבת הפלזמה על ידי השוואת עוצמות באנרגיות שונות. זה גם קובע את הצפיפות של זיהומי טונגסטן הנודדים מהקירות, שהם נתונים חיוניים למיטוב פעולת פעימה ארוכה עם קירות מתכתיים. לפי רכז WEST רמי דומונט:
"המערכת הספציפית הזו היא הראשונה מסוג זה עם אפליה אנרגטית. זה מרהיב. הודות למדידות החדשות הללו, תהיה לנו את היכולת למדוד את הטונגסטן בתוך הפלזמה ולהבין את ההובלה של טונגסטן מהקיר לליבה".
שיא תוצאות פותחות דלתות לפיתוח כורים
צוות PPPL, בראשות Delgado-Aparicio והחוקר Tullio Barbui, מצא שהפלזמה של WEST הגיעה לרמה קבועה של 4-4.5 קילו-וולט (כמעט 50 מיליון מעלות צלזיוס) בליבה לאורך כל הזריקה של 6 דקות. גם פרופילי הטומאה וגם הטמפרטורה נשארו יציבים.
ממצאים אלה אוששו על ידי סימולציות מתקדמות של מדעני CEA. לפי ליטודון:
"המצלמה שפותרת אנרגיה זו תפתח מסלול חדש במונחים של ניתוח. הודות לאבחון הזה, אנחנו יכולים להבין את הבעיה הזו וללכת לשורש הפיזיקה הן למדידה והן לסימולציה".
PPPL ו-WEST שואפות לשפר את השליטה שלהם בטמפרטורה ובזיהומי טונגסטן עוד יותר כדי לאפשר פעולות ארוכות יותר ויציבות יותר. בנוסף, PPPL חולקת את טכנולוגיית ה-ME-SXR שלה עם Tokamaks ברחבי העולם כדי להאיץ את המחקר הרלוונטי לכור.
"ה-ME-SXR הוא רק חלק מתרומה גלובלית יותר של אבחון מ-PPPL ועד CEA/WEST. שיתוף הפעולה הזה עוזר לנו מאוד. בעזרת השילוב הזה של דיאגנוסטיקה, נוכל לבצע מדידות מדויקות מאוד בפלזמה ולשלוט בה בזמן אמת".
– דומון
מתכות יומיומיות המניעות פיוז'ן: טונגסטן, נחושת, ליתיום
בעוד שפלזמה תופסת את אור הזרקורים, עתידה של היתוך תלוי גם במרכיביה המוחשיים יותר. שלוש מתכות מוכיחות את עצמן כחיוניות: טונגסטן, נחושת וליתיום.
טונגסטן מוערך בזכות נקודת ההיתוך הגבוהה שלו, 3422 מעלות צלזיוס, הגבוהה ביותר מכל יסוד אחר. זה מאפשר לו לעמוד בחום הלוהט של פלזמות היתוך. סין... שיאמן טונגסטן ושות 'בע"מ, הנסחרת בבורסת שנגחאי, היא יצרנית עולמית מובילה.
בשנת 2023, למרות ירידה של 18.30% בהכנסות התפעוליות ל-39.398 מיליארד יואן, החברה ראתה עלייה של 10.75% ברווח הנקי המיוחס לבעלי המניות, והגיעה ל-1.602 מיליארד יואן. הרחבת כושר הייצור ושיפורי היעילות של Xiamen Tungsten מחזקים את מעמדה כספקית מרכזית של טונגסטן בעל טוהר גבוה עבור יישומי היתוך, מה שהופך אותה למועמד אטרקטיבי עבור משקיעים.
נחושת היא עמוד תווך של האלקטרוניקה של היתוך בשל המוליכות החשמלית והתרמית המצוינת שלה. סלילים מגנטיים, פסי אספקה ומחלפי חום כולם מסתמכים על נחושת כדי לנהל את הזרמים והחום העזים של היתוך.
Freeport-McMoRan Inc. (FCX), יצרנית הנחושת הגדולה ביותר בבורסה, שבסיסה בארצות הברית, שמרה על בריאות פיננסית איתנה בשנת 2023 עם הכנסות של 24.6 מיליארד דולר ורווח נקי של 4.2 מיליארד דולר. עתודות הנחושת הנרחבות של החברה, המחויבות לקיימות וההתקדמות הטכנולוגית מחזקות את סיכויי הצמיחה שלה, במיוחד עם הביקוש הגובר לנחושת מאנרגיה מתחדשת וכלי רכב חשמליים.
ליתיום, המתכת הקלה ביותר, הופכת לעמוד היתוך בשל הפוטנציאל האלקטרוכימי המדהים שלה. שמיכות ליתיום יכולות להתרבות דלק טריטיום, וסוללות ליתיום יכולות לאחסן ביעילות כוח היתוך. Albemarle Corporation (ALB), יצרנית ליתיום גדולה, דיווחה על הכנסות שנתיות שיא של 9.62 מיליארד דולר בשנת 2023, עלייה של 31% מהשנה הקודמת.
(ALB )
למרות אתגרים כמו הירידה בביקוש לרכבים חשמליים וירידת מחירי הליתיום, יחידת אחסון האנרגיה של אלבמרלה רשמה צמיחה מרשימה של 35% בנפח, בעיקר מהמפעל המורחב שלה בלה נגרה בצ'ילה. התמקדות החברה בהפחתת עלויות, גמישות פיננסית והשקעות צמיחה ממצבת אותה היטב בשוק הליתיום הצומח, אם כי מחיר המניה שלה ירד משמעותית בשנה האחרונה.
ככל שההיתוך מתקדם, הביקוש למתכות אלו צפוי לנסוק. טונגסטן, נחושת וליתיום אולי חסרים את הבזק הפלזמה, אך הם מהווים את עמוד השדרה של עתידו המזהיר של ההיתוך. יצרנים המסוגלים לספק חומרים בעלי טוהר גבוה בקנה מידה גדול עשויים לחוות דחיפה משמעותית עם תחילת עידן ההיתוך.
שותפויות חלוציות כוח התקדמות
פריצת דרך זו נובעת משיתוף פעולה בין מכוני היתוך מובילים. PPPL, חלוצה בתחום אבחון הפלזמה, פיתחה את ה-ME-SXR במימון מענקים של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) לשלב מוקדם בקריירה ובפיתוח אבחוני. ה-WEST tokamak של CEA, המכשיר היחיד בעולם בעל דופן טונגסטן לחקר זריקות ארוכות טווח, מספק סביבת ניסוי אידיאלית.
DECTRIS, מובילה עולמית בגלאי קרני רנטגן, סיפקה טכנולוגיית ליבה ש-PPPL התאימה ל-ME-SXR החדש. לדברי ראש מחלקת המכירות של DECTRIS, ניקולס פילט:
"קהילת היתוך פלזמה הייתה בין הראשונות שבדקו את טכנולוגיית ספירת הפוטונים ההיברידית לניטור דינמיקת פלזמה. אנו גאים להפליא לתרום לפיתוח זה עם המוצרים שלנו ונרגשים משיתוף הפעולה המצוין שלנו".
השיא של WEST הוא גם ניצחון עבור CICLOP, תוכנית ה-IAEA המתאמת מאמצים גלובליים באתגרים ארוכי-פעימה. על ידי שילוב מומחיות ומשאבים, CICLOP שואפת לפתור באופן שיטתי בעיות מרכזיות המונעות פעולות היתוך רציפות. ליטדודון אמר:
"אבן דרך זו מייצגת צעד חשוב לקראת מטרות תוכנית CICLOP. עבודתה של PPPL ב-WEST היא דוגמה מצוינת."
בדרך לאנרגיית פיוז'ן נקייה
שיא 6 הדקות של WEST עם קירות טונגסטן מסמן התקדמות משמעותית באנרגיית היתוך. הוא מאשר כי טוקאמאקים עם חומרים רלוונטיים לכורים יכולים להכיל פלזמה באופן בר-קיימא בטמפרטורות הדרושות להספקת היתוך מעשי. שיטות אבחון חדשניות כמו ME-SXR של PPPL מאפשרות לחוקרים למדוד ולמטב את הפלזמה בדיוק חסר תקדים.
יש עוד הרבה עבודה לעשות כדי לפתח כור היתוך בר-קיימא. משך הפולסים צריך להימשך מדקות לחודשים תוך הגברת הצפיפות ושמירה על יציבות. חומרים מתקדמים, מגנטים ומערכות חילוץ חום הם חיוניים. עם זאת, מדענים הופכים את הפוטנציאל העצום של היתוך למציאות צעד אחר צעד.
לפיוז'ן יש פוטנציאל לספק מקור אנרגיה בטוח, נטול פחמן, כמעט בלתי נדלה. זֶה יכול לעזור למתן את שינויי האקלים, לשפר את אבטחת האנרגיהותמוך בעידן הבא של ההתפתחות האנושית. בסך הכל, כפי שמראים WEST ו-CICLOP, שיתוף פעולה עולמי הוא המפתח להתגברות על אתגרי היתוך ולהבאת היתרונות העצומים שלו לעולם.
