Ny fogteknik kan bana väg för framtidens fusionsenergi

Fusionsenergi har länge lyfts fram som en möjlig framtida källa till stora mängder koldioxidfri el. Men för att tekniken ska kunna användas i kommersiell skala återstår flera tekniska utmaningar. En av dem handlar om hur material ska klara de extrema temperaturerna inne i en fusionsreaktor.

Vid Luleå tekniska universitet har professor Farid Akhtar tillsammans med industripartnern CoorsTek Sweden utvecklat en ny metod för att sammanfoga två material som är centrala för reaktorns funktion: volfram och koppar.

Innovationen har nu belönats med universitetets pris Årets innovatör.

– Det här är fantastiskt roligt och en bekräftelse på att forskning från Luleå tekniska universitet kan bidra till framtidens energisystem. Priset tillhör också mina forskarkollegor på materialteknik och våra samarbetspartners på CoorsTek, för det här är verkligen ett lagarbete¸ säger Farid Akhtar.

Två material med olika egenskaper

Fusion bygger på att lätta atomkärnor slås samman och frigör stora mängder energi. För att processen ska fungera krävs extremt höga temperaturer, vilket ställer stora krav på materialen i reaktorns mest utsatta delar.

Komponenterna närmast det heta plasmat måste både tåla kraftig värmebelastning och kunna leda bort värmen för att undvika skador.

Därför kombineras ofta volfram, som tål mycket höga temperaturer, med koppar, som har god värmeledningsförmåga.

Problemet är att materialen reagerar olika när temperaturen förändras. De utvidgas olika mycket, vilket skapar mekaniska spänningar i övergången mellan dem.

Med tiden kan spänningarna orsaka sprickor och skador som försämrar kylningen. Det kan i sin tur leda till att komponenter måste bytas ut, med kostsamma driftstopp som följd.

Ny metod stärker sammanfogningen

Den metod som Farid Akhtar och CoorsTek Sweden har utvecklat bygger på att materialen låses samman både mekaniskt och kemiskt.

Genom att förändra hur gränsytan mellan volfram och koppar är utformad kan fogen bättre hantera att materialen utvidgas olika mycket vid uppvärmning.

Målet är att skapa komponenter som klarar stora temperaturväxlingar, får längre livslängd och minskar behovet av underhåll.

– I stället för att bara foga ihop två material som beter sig väldigt olika har vi utformat själva gränsytan så att de hålls samman även när de utvidgas olika. Att Fusion for Energy har gett oss resurserna och möjligheten att leverera våra plattor till dem för att kunna göra tester, visar att vår lösning väcker intresse hos de kunder inom fusion som ställer allra högst krav på prestanda och kvalitet, säger Farid Akhtar.

En viktig fördel är att tekniken kan användas i en redan etablerad industriell tillverkningsprocess. Det skulle kunna underlätta en framtida uppskalning om metoden visar sig fungera väl i större tillämpningar.

Internationellt intresse för tekniken

Innovationen har redan väckt intresse utanför Sverige.

Fusion for Energy, EU-organisationen som ansvarar för Europas bidrag till internationella fusionsexperiment, däribland ITER, har beställt plattor för utvärdering.

Det innebär att tekniken nu får möjlighet att prövas mot de höga krav som ställs på material och komponenter inom fusionsforskningen.

Att en lösning fungerar i laboratoriemiljö är dock inte samma sak som att den är färdig för kommersiell användning. Fortsatta tester behövs för att bedöma prestanda och hållbarhet under relevanta förhållanden.

Tekniken kan också få användningsområden utanför fusionsenergin, exempelvis i partikelacceleratorer och andra avancerade industriella miljöer där komponenter utsätts för mycket höga värmeflöden.

Samarbete mellan forskning och industri

Utvecklingen har skett i nära samarbete mellan forskargruppen i materialteknik vid Luleå tekniska universitet och CoorsTek Sweden, som arbetar med avancerade keramiska komponenter.

Farid Akhtar framhåller också betydelsen av Big Science Västerbotten, Big Science Sweden och NuMaP, Nuclear Materials Platform.

Organisationerna har bidragit med finansiering, forskningsinfrastruktur och kontakter som gjort samarbetet möjligt.

För svensk industri kan den nya fogtekniken på sikt öppna möjligheter inom den internationella fusionsindustrin, där behovet av material och komponenter med mycket hög prestanda väntas öka om tekniken utvecklas mot kommersiell användning.

Samtidigt återstår betydande tekniska och ekonomiska hinder innan fusionsenergi kan bli en etablerad del av elproduktionen.