Tänk om vi kunde ta solens energi, placera den i en behållare och använda den för att ge världen grön och hållbar energi. Att skapa kommersiella fusionskraftverk skulle kunna göra denna idé till verklighet. Men flera vetenskapliga utmaningar måste lösas innan fusionen kan tämjas.
Forskare från USA:s energidepartement (DOE) vid Ames National Laboratory och Iowa State University leder arbetet med att lösa materialutmaningar som kan möjliggöra kommersiell fusion. Forskarteamen är en del av DOE:s program CHADWICK (Creating Hardened And Durable Fusion First Wall Incorporating Centralized Knowledge). De undersöker material för den första väggen i en fusionsreaktor, som omger fusionen och utsätts för extrema förhållanden.
DOE har valt ut 13 projekt inom CHADWICK-programmet. Ames Lab leder ett av projekten och samarbetar med Iowa State på ett annat projekt som leds av Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
– En av de största utmaningarna med att utnyttja fusion är att hålla plasmakärnan innesluten, säger Nicolas Argibay, forskare vid Ames Lab och projektledare. Plasman fungerar som en miniatyrsol som måste inneslutas av material som tål extrema temperaturer, strålning och magnetfält, samtidigt som de effektivt överför värme för att omvandlas till elektricitet.
Vägg med två lager
Plasman hålls på plats med ett starkt magnetfält, och den första väggen omger detta område. Väggen har två lager – ett som är närmast plasman och ett som leder energin vidare i systemet.
Det första lagret måste vara strukturellt starkt och motstå sprickor och erosion. Det får inte heller förbli radioaktivt under lång tid, så att reaktorn kan stängas av för underhåll utan att riskera säkerheten. Argibays projekt fokuserar på detta första lager.
– Vi har unika möjligheter för materialdesign och tillverkning, säger Argibay. Vi använder tungsten, som har den högsta smältpunkten av alla grundämnen utom diamant.
Genom investeringar från ARPA-E och Ames Lab har forskarna fått avancerad utrustning för att bearbeta och testa material med höga smältpunkter. De kan tillverka legeringar av tungsten och andra material både i liten skala och i större mängder.
Två nya system
Senast våren 2025 kommer de att ha två nya system för att skapa dessa material i både laboratorie- och pilotskala. Storskaliga tester är viktiga för att samla data som kan översättas till verkliga tillämpningar.
Ames Lab har även investerat i utrustning som kan mäta mekaniska egenskaper vid temperaturer över tusen grader Celsius. De har en av få kommersiella maskiner i USA som kan testa hållfasthet i temperaturer upp till femtonhundra grader.
Jordan Tiarks, forskare vid Ames Lab, arbetar på projektet som leds av PNNL. Han fokuserar på den strukturella delen av den första väggen. Tiarks utnyttjar labbets 35-åriga erfarenhet inom pulvermetallurgi och materialöverföring till industrin för att utveckla lösningar.
– Den strukturella delen håller allt på plats, säger Tiarks. Vi måste integrera kylkanaler för att avleda värmen och undvika att materialet smälter.
Tiarks team använder forskning om ODS-stål (oxidförstärkt stål) från kärnkraftsteknik för att utveckla en legering baserad på vanadin. Detta material är väl lämpat för fusion men beter sig annorlunda än stål. Vanadin har en högre smältpunkt och är mer reaktiv, vilket kräver nya bearbetningsmetoder.
Vanadin svårt att hantera
– Vi bryter ner smält material till små droppar med högtrycksgas, förklarar Tiarks. Men vanadin är svårt att hantera, eftersom det lätt reagerar och kräver noggrann passivering för att förhindra explosioner.
Sid Pathak, assisterande professor vid Iowa State, leder gruppen som testar materialproverna för den andra väggen. Proverna formas till plattor vid PNNL genom att pulvret sprayas och bearbetas mekaniskt.
– Vi måste testa materialets respons under extrema förhållanden i en fusionsreaktor, säger Pathak. Resultaten visar om materialen överträffar dagens alternativ.
Bara ytliga skador
Eftersom det kan ta tio till tjugo år för strålskador att utvecklas i verkligheten, använder teamet jonbestrålning för att simulera effekterna på kortare tid. Tester görs vid University of Michigan.
– Jonbestrålning kan göras på några timmar, säger Pathak. Materialen blir inte radioaktiva, vilket gör dem lättare att hantera.
Trots fördelarna är skadorna från jonbestrålning mycket ytliga och kräver specialverktyg för analys på mikronivå.
– Vägen till kommersiell fusion är en av vår tids största tekniska utmaningar, men också en möjlighet att skapa ren energi, säger Tiarks. Det är spännande att bidra till lösningen.
– Vi hoppas att Ames Lab kan visa varför vi finns och varför vi bör fortsätta att finansiera forskning för att lösa framtidens energibehov, avslutar Argibay.
Källa: AZoCleantech