مطالعه پیشنهاد می کند ابررساناهای دمای بالا REBCO برای آهنرباهای توکامک ایده آل هستند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

آهنرباهای REBCO — Tokamak bound: آهنرباهای جدید در مرکز آزمایش PSFC. آنها به یک رکورد جهانی قدرت میدان مغناطیسی 20 T برای یک آهنربا در مقیاس بزرگ دست یافتند. (با احترام: گرچن ارتل)

مطالعه گسترده ای که در ایالات متحده انجام شده است تأیید کرده است که آهنرباهای ساخته شده از ابررساناهای با دمای بالا اکسید مس باریم خاکی کمیاب (REBCO) برای محدود کردن پلاسما در آزمایش های همجوشی آینده ایده آل هستند. این تیم نشان داد که آهنرباها هم قوی و هم فشرده هستند و آنها را به گزینه ای عملی برای توکامک های آینده مانند SPARCکه توسط Commonwealth Fusion Systems (CFS) و مرکز همجوشی علوم پلاسما MIT (PSFC) در حال توسعه است.

این مطالعه توسط محققان CFS و PSFC انجام شد که ابزارهای تشخیصی جدیدی برای مطالعه آهنرباها ایجاد کردند.

یک راکتور همجوشی توکاماک از میدان های مغناطیسی بسیار قوی برای محصور کردن پلاسمای هیدروژن در داخل دونات شکل خود استفاده می کند. این اجازه می دهد تا پلاسما تا دمای بسیار بالا گرم شود تا هسته های هیدروژن با هم ترکیب شوند و مقادیر زیادی انرژی آزاد شود. هدف نهایی تحقیق توکامک این است که از پلاسمای در حال همجوشی انرژی بسیار بیشتری نسبت به مقداری که وارد می‌شود، دریافت کند، بنابراین منبع نسبتاً پاکی از انرژی ایجاد شود.

این میدان های مغناطیسی توسط آهنرباهای الکترومغناطیسی ایجاد می شوند و در توکامک های موجود، با استفاده از سیم های ساخته شده از یک هادی معمولی (مس) یا یک ابررسانا با دمای پایین پیچیده می شوند. هر دو روش دارای مزایا و محدودیت‌هایی هستند، بنابراین محققان همجوشی مشتاق هستند گزینه‌های آهنربایی دیگر را بررسی کنند. به ویژه، بیشتر فناوری‌های آهنربایی موجود برای استفاده در دستگاه‌های نسل بعدی که به سطوح میدان بالاتری نیاز دارند، بسیار بزرگ و بسیار گران هستند.

زمینه های محدود

توضیح می‌دهد: «آهن‌ربای‌های ابررسانا با مصرف انرژی بسیار کم اکنون در دستگاه‌های همجوشی در مقیاس کافی ادغام شده‌اند. زک هارتویگ در MIT که تحلیل جدید را رهبری کرد. با این حال، همه آنها از ابررساناهایی استفاده کرده اند که محدود به قدرت میدان مغناطیسی تقریباً 5 T بودند. حتی زمانی که در این میدان ها محدود شود، پلاسما به تدریج به بیرون نشت می کند.

بین سال‌های 2018 و 2021، همکاری محققان PSFC و CFS آهن‌رباهای REBCO را با هدف تقویت میدان‌های محدود توسعه دادند - و عملکرد مواد بسیار امیدوارکننده بود.

هارتویگ توضیح می‌دهد: REBCO قادر به تولید میدان‌های مغناطیسی بسیار بالا است و همچنین می‌تواند چگالی جریان الکتریکی بسیار بالایی را در دماهای تا 20 کلوین حمل کند. "این منجر به مهندسی و عملکرد برتر در آهنرباهای ابررسانا می شود."

اکنون هارتویگ و همکارانش نتایج یک باتری جامع از آزمایش‌های عملکرد REBCO را به عنوان یک آهنربای ابررسانا با استفاده از امکانات آزمایشی هدفمند در MIT گزارش می‌کنند.

تقریبا دو برابر

از طریق آزمایش‌هایی که در سپتامبر 2021 انجام شد، این ماده پیک میدان مغناطیسی بیش از 20 T را نشان داد. این تقریباً دو برابر بالاترین میدانی است که قبلاً در سایر آهن‌رباهای ابررسانا برای کاربردهای مشابه به دست آمده بود.

از آن زمان، محققان آزمایش‌های بیشتری را انجام دادند که یک آهنربای REBCO را به محدودیت‌های شدید عملکردش رساند، در حالی که تجزیه و تحلیل عملکرد آن را انجام دادند.

این تیم اکنون یافته های خود را در مجموعه ای از مقالات ارائه می کند معاملات IEEE در مورد ابررسانایی کاربردی. آنها توصیف عمیقی از تمام اجزای آهنربا و نحوه عملکرد آنها در میدان های بالا ارائه می دهند. تیم هارتویگ اکنون مطمئن هستند که REBCO برای هدف مورد نظر خود مناسب است.

هارتویگ می‌گوید: «علی‌رغم بارهای الکترومکانیکی بسیار زیاد، عملکرد الکتریکی، حرارتی و ساختاری آهن‌ربا دقیقاً همانطور که در حالت پایدار طراحی شده بود، رفتار می‌کرد. او می‌افزاید: «این مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته توسعه‌یافته در این برنامه را تأیید کرد و به‌طور تجربی تأیید کرد که آهن‌رباهای ابررسانا با میدان بالا برای انرژی همجوشی قابل دوام هستند».

حجم خیلی کمتر

به طور مهمی، آزمایش‌ها نشان داد که REBCO قادر به حفظ یک میدان 12 T مناسب برای محصور شدن پلاسما در حجمی 30 تا 40 برابر کوچک‌تر از دستگاه‌های همجوشی قبلی است.

هارتویگ توضیح می‌دهد: «کاهش قابل‌توجه مقیاس فعال‌شده توسط REBCO، هزینه‌های کمتر و زمان‌بندی سریع‌تر برای ساخت دستگاه‌های محصورکننده مغناطیسی و همچنین اقتصادی مطلوب‌تر برای نیروگاه‌های انرژی همجوشی را ممکن می‌سازد».

او می‌افزاید: «شاید مهم‌تر از همه، مقیاس کاهش‌یافته یک انتقال حیاتی در انرژی همجوشی را امکان‌پذیر می‌کند: حرکت از برنامه‌های علمی چند ملیتی با بودجه دولتی به شرکت‌های مأموریت‌محور با سرمایه‌گذاری خصوصی، متمرکز بر تجاری‌سازی یک منبع انرژی جدید با کربن صفر.» .

بر اساس یافته های امیدوارکننده خود، تیم های PSFC و CFS اکنون امیدوارند که تجزیه و تحلیل آنها به عنوان راهنمای ارزشمندی برای تحقیقات همجوشی آینده باشد: شاید یکی از طولانی ترین اهداف در فیزیک را یک قدم به واقعیت نزدیکتر کند.