Потужність майбутнього за допомогою повсякденних металів

Термоядерний синтез був у новинах протягом останніх кількох років, і наукова спільнота гуде про футуристичні реактори. Але за лаштунками деякі з найпоширеніших металів непомітно сприяють переходу термоядерного синтезу з лабораторії до енергомережі. Вольфрам, мідь та літій — елементи, з якими ми взаємодіємо щодня — виявляються незамінними у прагненні до безмежної чистої енергії.

Вольфрамовий токамак WEST встановив 6-хвилинний термоядерний рекорд

Франційний пристрій WEST (вольфрамове (W) середовище в стаціонарному токамаку) встановив новий рекорд, що стало важливою віхою в розвитку термоядерної енергетики. WEST підтримував термоядерну плазму при температурі 50 мільйонів градусів Цельсія протягом шести хвилин, видаючи 1.15 гігаджоулів енергії. Це досягнення подвоює щільність плазми та забезпечує на 15% більше енергії, ніж попередній рекорд WEST.

Захід оперується Французькою Комісією з альтернативної енергії та атомної енергії (CEA). Це частина програми МАГАТЕ «Координація міжнародних викликів щодо тривалої експлуатації» (CICLOP). Міністерство енергетики США Принстонська лабораторія фізики плазми (PPPL) має тривале партнерство з WEST і CICLOP.

«Нам потрібно створити нове джерело енергії, яке має бути безперервним і постійним. Це прекрасні результати. Ми досягли стаціонарного режиму, незважаючи на те, що ми перебуваємо в складних умовах через цю вольфрамову стіну».

– науковець CEA та голова CICLOP Ксав’єр Літодон

Основи Fusion

злиття живить сонце і зірки. Це відбувається, коли легкі елементи, такі як водень, нагріваються до надзвичайно високих температур, утворюючи плазму. У цьому стані частинки плазми стикаються і зливаються, вивільняючи велику кількість енергії.

На Землі термоядерні пристрої, звані токамаками, використовують потужні магнітні поля, щоб утримувати плазму в камері у формі бублика. Мета полягає в тому, щоб досягти самопідтримуваної реакції термоядерного синтезу, яка генерує більше енергії, ніж витрачається, потенційно забезпечуючи фактично безмежне, безпечне джерело енергії без вуглецю.

Однак підтримка цих реакцій достатньо довго для отримання чистої енергії залишається серйозною проблемою. Плазма повинна бути нагріта до температур, вищих за температури ядра Сонця, та залишаються стабільними протягом тривалого часу. На відміну від більшості токамаків, які використовують вуглецеві внутрішні стінки, що утримують забагато палива для життєздатності реактора, альтернативні матеріали... досліджується.

Вольфрамові стінки WEST: прогрес, пов'язаний з реакторами

Захід вистелена з вольфрамом, головним кандидатом для майбутніх термоядерних реакторів. Вольфрам утримує набагато менше палива, ніж вуглець, що є необхідністю для ефективної роботи реактора. Втім, навіть якщо вольфрам простежується у плазмі вона може швидко охолоджуватися через випромінювання. Луїс Дельгадо-Апарісіо з PPPL пояснює:

«Середовище вольфрамової стінки набагато складніше, ніж використання вуглецю. Це просто різниця між спробою схопити кошеня вдома та спробою погладити найдикішого лева».

Незважаючи на складність, 6-хвилинний рекорд WEST, встановлений з вольфрамовими стінками, є значним кроком уперед. Він вдвічі довший за рекорд попередника WEST з вуглецевими стінками, Tore Supra. Демонстрація довгих імпульсів з матеріалами, що використовуються в реакторах, має вирішальне значення для цілей CICLOP та майбутніх електростанцій.

Нова рентгенівська діагностика забезпечує прорив

Рекордний постріл був поставлений діагноз за допомогою інноваційної системи рентгенівської візуалізації, розробленої PPPL. Багатоенергетична м’яка рентгенівська камера (ME-SXR), виготовлена ​​компанією DECTRIS, була спеціально адаптована PPPL для вимірювання властивостей плазми в безпрецедентних деталях.

«Рентгенівська група відділу передових проектів PPPL розробляє всі ці інноваційні інструменти для токамаків та стелараторів по всьому світу».

– Дельгадо-Апарісіо, керівник відділу передових проектів PPPL

Зазвичай, для діагностики термоядерного синтезу використовується один або два енергетичні рівні рентгенівського випромінювання. ME-SXR від PPPL одночасно зчитує дані на восьми енергетичних рівнях від 11 до 18 кілоелектронвольт (кеВ). Цей діапазон забезпечує чіткі дані про плазмове ядро, виключаючи перешкоди від радіочастотних нагрівальних хвиль.

ME-SXR безпосередньо вимірює температуру електронів у плазмовому ядрі шляхом порівняння інтенсивності при різних енергіях. Він також визначає щільність домішок вольфраму, що мігрують зі стінок, що є життєво важливими даними для оптимізації довгоімпульсної роботи з металевими стінками. За словами координатора WEST Ремі Дюмона:

«Ця конкретна система є першою такого роду з енергетичною дискримінацією. Це видовищно. Завдяки цим новим вимірюванням ми матимемо можливість виміряти вольфрам усередині плазми та зрозуміти транспорт вольфраму від стінки до ядра».

Рекордні результати Відкриті двері для розвитку реактора

Команда PPPL під керівництвом Дельгадо-Апарісіо та дослідника Тулліо Барбуї виявила, що плазма WEST досягає стабільних 4-4.5 кіловольт (майже 50 мільйонів °C) в ядрі протягом 6-хвилинної зйомки. Профілі домішок і температури залишалися стабільними.

Ці висновки були підтверджені вдосконаленим моделюванням вчених CEA. За словами Літаудона:

«Ця енергороздільна камера відкриє новий шлях з точки зору аналізу. Завдяки цій діагностиці ми можемо зрозуміти цю проблему та перейти до коріння фізики як для вимірювання, так і для моделювання».

PPPL і WEST прагнуть ще більше покращити контроль температури та домішок вольфраму, щоб забезпечити ще більш тривалу та стабільнішу роботу. Крім того, PPPL ділиться своєю технологією ME-SXR з токамаками по всьому світу, щоб прискорити дослідження, пов’язані з реакторами. 

«ME-SXR є лише частиною більш глобального внеску в діагностику від PPPL до CEA/WEST. Ця співпраця нам дуже допомагає. За допомогою цієї комбінації діагностики ми зможемо виконувати дуже точні вимірювання в плазмі та контролювати її в режимі реального часу».

– Дюмон 

Повсякденні метали, що живлять синтез: вольфрам, мідь, літій

Хоча плазма перебуває в центрі уваги, майбутнє термоядерного синтезу також залежить від його більш відчутних компонентів. Три метали виявляються важливими: вольфрам, мідь і літій.

Вольфрам цінується за свою надзвичайно високу температуру плавлення 3422°C, найвищу серед усіх елементів. Це дозволяє йому витримувати палючу спеку термоядерної плазми. Китайський Xiamen Tungsten Co., Ltd., зареєстрована на Шанхайській фондовій біржі, є провідним світовим виробником. 

У 2023 році, незважаючи на зниження операційного доходу на 18.30% до 39.398 млрд юанів, компанія продемонструвала зростання чистого прибутку, що належить акціонерам, на 10.75%, досягнувши 1.602 млрд юанів. Розширення виробничих потужностей та підвищення ефективності компанії Xiamen Tungsten зміцнюють її позиції як ключового постачальника високочистого вольфраму для термоядерного синтезу, що робить її привабливою для інвесторів.

Мідь є основою термоядерної електроніки завдяки своїй видатній електро- та теплопровідності. Магнітні котушки, шини та теплообмінники – усі вони покладаються на мідь для управління інтенсивними струмами та теплом, що виникають під час термоядерного синтезу. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), Найбільший публічно торгований виробник міді зі штаб-квартирою у Сполучених Штатах, у 2023 році зберіг стабільне фінансове становище з доходом у розмірі 24.6 мільярда доларів та чистим прибутком у розмірі 4.2 ​​мільярда доларів. Великі запаси міді компанії, її відданість принципам сталого розвитку та технологічний прогрес зміцнюють її перспективи зростання, особливо з огляду на зростання попиту на мідь з боку відновлюваних джерел енергії та електромобілів.

Літій, найлегший метал, стає опорою термоядерного синтезу завдяки своєму надзвичайному електрохімічному потенціалу. Літієві ковдри можуть створювати тритієве паливо, а літієві батареї можуть ефективно зберігати енергію термоядерного синтезу. Корпорація Albemarle (ALB), великий виробник літію, повідомив про рекордний річний дохід у 9.62 мільярда доларів у 2023 році, що на 31% більше, ніж у попередньому році.

Незважаючи на такі труднощі, як зниження попиту на електромобілі та падіння цін на літій, підрозділ накопичення енергії Albemarle продемонстрував вражаюче зростання обсягів на 35%, головним чином завдяки розширеному заводу в Ла-Негра в Чилі. Зосередженість компанії на зниженні витрат, фінансовій гнучкості та інвестиціях у зростання забезпечує їй хороші позиції на стрімко зростаючому ринку літію, хоча ціна її акцій за останній рік значно знизилася.

З розвитком термоядерного синтезу попит на ці метали стрімко зростатиме. Вольфрам, мідь та літій, можливо, не мають плазмового спалаху, але вони складають основу світлого майбутнього термоядерного синтезу. Виробники, здатні постачати високочисті матеріали у великих масштабах, можуть отримати значний поштовх з початком ери термоядерного синтезу.

Піонерські партнерства Power Progress

Цей прорив є результатом співпраці між провідними інститутами термоядерного синтезу. PPPL, піонер у діагностиці плазми, розробив ME-SXR за рахунок фінансування, отриманого від грантів Міністерства енергетики США на ранні стадії розвитку та розробку діагностичних технологій. Токамак WEST від CEA, єдиний у світі пристрій з вольфрамовими стінками для дослідження тривалих пострілів, забезпечує ідеальне випробувальне поле.

DECTRIS, світовий лідер у виробництві рентгенівських детекторів, надав основну технологію, яку PPPL адаптувала до нового ME-SXR. За словами керівника відділу продажів DECTRIS Ніколя Піле:

«Спільнота плазмового синтезу була однією з перших, хто випробував технологію гібридного підрахунку фотонів для моніторингу динаміки плазми. Ми неймовірно пишаємося тим, що робимо внесок у цей розвиток за допомогою наших продуктів, і в захваті від нашої чудової співпраці».

Рекорд WEST також є тріумфом для CICLOP, програми МАГАТЕ, яка координує глобальні зусилля щодо вирішення проблем, пов'язаних з довгоімпульсним синтезом. Поєднуючи досвід та ресурси, CICLOP прагне систематично вирішувати ключові проблеми, що перешкоджають безперервним операціям з термоядерного синтезу. Літадудон сказав:

«Ця віха є важливим кроком до досягнення цілей програми CICLOP. Робота PPPL у WEST є чудовим прикладом».

На шляху до чистої термоядерної енергії

6-хвилинний запис WEST з вольфрамовими стінками знаменує собою значний прогрес у галузі термоядерного синтезу. Він підтверджує, що токамаки з матеріалами, придатними для реакторів, можуть стійко утримувати плазму за температур, необхідних для практичного використання термоядерної енергії. Новітні діагностичні методи, такі як ME-SXR від PPPL, дозволяють дослідникам вимірювати та оптимізувати плазму з безпрецедентною точністю.

Попереду ще багато роботи робити розробити життєздатний термоядерний реактор. Тривалість імпульсів має бути збільшена від хвилин до місяців, одночасно підвищуючи щільність та зберігаючи стабільність. Сучасні матеріали, магніти та системи відведення тепла є важливими. Однак вчені крок за кроком втілюють величезний потенціал термоядерного синтезу в реальність.

Термоядерний синтез має потенціал для забезпечення безпечного, безвуглецевого, практично невичерпного джерела енергії. Цей  може допомога пом'якшення зміни клімату, покращити енергетичну безпеку, і підтримувати наступну еру розвитку людства. Загалом, як показують WEST та CICLOP, глобальна співпраця є ключем до подолання проблем термоядерного синтезу та забезпечення його величезних переваг для світу.

Натисніть тут, щоб дізнатися все про інвестування в дорогоцінні метали.