REBCO:n korkean lämpötilan suprajohteet sopivat ihanteellisesti tokamakmagneeteille, tutkimus ehdottaa – Physics World

Yhdysvalloissa tehty laaja tutkimus on vahvistanut, että harvinaisten maametallien bariumkuparioksidin (REBCO) korkean lämpötilan suprajohtimista valmistetut magneetit ovat ihanteellisia plasman sulkemiseen tulevissa fuusiokokeissa. Tiimi osoitti, että magneetit ovat sekä kestäviä että kompakteja, mikä tekee niistä käytännöllisen vaihtoehdon tuleville tokamakeille, kuten SPARC, jota kehittävät Commonwealth Fusion Systems (CFS) ja MIT:n Plasma Science Fusion Center (PSFC).

Tutkimuksen tekivät CFS:n ja PSFC:n tutkijat, jotka loivat uusia diagnostisia instrumentteja magneettien tutkimiseen.

Tokamak-fuusioreaktori käyttää erittäin voimakkaita magneettikenttiä vetyplasman rajoittamiseen munkkimaiseen sisäosaan. Tämä mahdollistaa plasman kuumentamisen erittäin korkeisiin lämpötiloihin, jolloin vetyytimet sulautuvat yhteen vapauttaen suuria määriä energiaa. Tokamak-tutkimuksen perimmäisenä tavoitteena on saada plasman sulattamisesta paljon enemmän energiaa kuin siihen laitetaan, jolloin syntyy suhteellisen puhdas energialähde.

Nämä magneettikentät syntyvät sähkömagneeteilla ja olemassa olevissa tokamakeissa ne kierretään käyttämällä tavanomaisesta johtimesta (kuparista) tai matalan lämpötilan suprajohteesta valmistettuja johtimia. Molemmilla lähestymistavoilla on etuja ja rajoituksia, joten fuusiotutkijat ovat kiinnostuneita tutkimaan muita magneettivaihtoehtoja. Erityisesti useimmat nykyiset magneettiteknologiat olisivat liian suuria ja liian kalliita käytettäväksi seuraavan sukupolven laitteissa, jotka vaativat korkeampia kenttätasoja.

Rajoitetut kentät

"Suprajohtavia magneetteja, joilla on erittäin pieni virrankulutus, on nyt integroitu fuusiolaitteisiin riittävässä mittakaavassa", selittää. Zach Hartwig MIT:ssä, joka johti uutta analyysiä. "He ovat kuitenkin kaikki käyttäneet suprajohtimia, jotka rajoittuvat rajoittamaan noin 5 T:n magneettikentän voimakkuutta." Plasma vuotaa vähitellen myös näillä kentillä ollessaan.

Vuosina 2018–2021 PSFC:n ja CFS:n tutkijoiden yhteistyöllä kehitettiin REBCO-magneetteja, joiden tarkoituksena on tehostaa rajallisia kenttiä – ja materiaalin suorituskyky oli erittäin lupaava.

"REBCO pystyy tuottamaan erittäin suuria magneettikenttiä, ja se voi myös kuljettaa erittäin suuria sähkövirrantiheyksiä jopa 20 K:n lämpötiloissa", Hartwig selittää. "Tämä johtaa ylivoimaiseen suunnitteluun ja suorituskykyyn suprajohtavissa magneeteissa."

Nyt Hartwig ja kollegat raportoivat tulokset kattavasta testisarjasta, joka koski REBCO:n suorituskykyä suprajohtavana magneetina, käyttämällä MIT:n tarkoitukseen rakennettuja testauslaitoksia.

Melkein kaksinkertainen

Syyskuussa 2021 suoritetuissa kokeissa materiaali osoitti yli 20 T:n huippumagneettikentän. Tämä on lähes kaksinkertainen korkeimmille kenttiä, jotka aiemmin saavutettiin muissa suprajohtavissa magneeteissa vastaavissa sovelluksissa.

Siitä lähtien tutkijat ovat tehneet lisätestejä, jotka ovat työntäneet REBCO-magneetin suorituskyvyn äärirajoille, samalla kun he ovat analysoineet sen toimintaa.

Ryhmä esittelee nyt havaintojaan julkaisusarjassa IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Ne tarjoavat syvällisen kuvauksen kaikista magneetin komponenteista ja siitä, kuinka ne toimivat korkeissa kentissä. Hartwigin tiimi on nyt vakuuttunut siitä, että REBCO sopii hyvin aiottuun tarkoitukseen.

"Valtavista sähkömekaanisista kuormituksista huolimatta magneetin sähköinen, terminen ja rakenteellinen suorituskyky käyttäytyi vakaassa tilassa täsmälleen suunnitellulla tavalla", Hartwig sanoo. "Tämä validoi ohjelmassa kehitetyn edistyneen laskennallisen mallinnuksen ja vahvisti kokeellisesti, että korkeakentän suprajohtavat magneetit ovat käyttökelpoisia fuusioenergiassa", hän lisää.

Paljon pienempi volyymi

Ratkaisevaa on, että kokeet osoittivat, että REBCO pystyy ylläpitämään 12 T:n kenttää, joka sopii plasman sulkemiseen noin 30-40 kertaa pienemmässä tilavuudessa kuin aiemmat fuusiolaitteet.

"REBCO:n mahdollistama merkittävä mittakaavavähennys mahdollistaa alhaisemmat kustannukset ja nopeammat aikataulut magneettisesti eristyslaitteiden rakentamiseen sekä edullisemmat fuusiovoimaloiden taloudet", Hartwig selittää.

"Ehkä tärkeintä on, että pienentynyt mittakaava mahdollistaa kriittisen siirtymän fuusioenergiassa: siirtyminen monikansallisista, valtion rahoittamista tiedeohjelmista yksityisesti rahoittamiin, tehtävälähtöisiin yrityksiin, jotka keskittyvät kannattavan uuden hiilidioksidittoman energialähteen kaupallistamiseen", hän lisää. .

Lupaavien havaintojensa perusteella PSFC- ja CFS-tiimit toivovat nyt, että heidän analyysinsä toimii arvokkaana oppaana tulevalle fuusiotutkimukselle: kenties tuo yhden fysiikan kauan odotetuimmista tavoitteista askeleen lähemmäksi todellisuutta.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/