I superconduttori REBCO ad alta temperatura sono ideali per i magneti Tokamak, suggerisce uno studio – Physics World

Uno studio approfondito condotto negli Stati Uniti ha confermato che i magneti realizzati con superconduttori ad alta temperatura di ossido di rame e bario di terre rare (REBCO) sono ideali per confinare il plasma nei futuri esperimenti di fusione. Il team ha dimostrato che i magneti sono robusti e compatti, rendendoli un'opzione pratica per i futuri tokamak come SPARC, che è stato sviluppato dal Commonwealth Fusion Systems (CFS) e dal Plasma Science Fusion Center (PSFC) del MIT.

Lo studio è stato condotto dai ricercatori del CFS e del PSFC, che hanno creato nuovi strumenti diagnostici per lo studio dei magneti.

Un reattore a fusione tokamak utilizza campi magnetici molto forti per confinare un plasma di idrogeno all'interno del suo interno a forma di ciambella. Ciò consente al plasma di essere riscaldato a temperature molto elevate in modo che i nuclei di idrogeno si fondano insieme, rilasciando grandi quantità di energia. L’obiettivo finale della ricerca sul tokamak è quello di ottenere dalla fusione del plasma molta più energia di quella immessa, creando così una fonte di energia relativamente pulita.

Questi campi magnetici sono creati da elettromagneti e nei tokamak esistenti vengono avvolti utilizzando fili costituiti da un conduttore convenzionale (rame) o da un superconduttore a bassa temperatura. Entrambi gli approcci presentano vantaggi e limiti, quindi i ricercatori sulla fusione sono interessati a esplorare altre opzioni relative ai magneti. In particolare, la maggior parte delle tecnologie magnetiche esistenti sarebbero troppo grandi e costose per essere utilizzate nei dispositivi di prossima generazione che richiederanno livelli di campo più elevati.

Campi limitati

“I magneti superconduttori con un consumo energetico molto basso sono stati ora integrati nei dispositivi di fusione su scala sufficiente”, spiega Zach Hartwig al MIT, che ha condotto la nuova analisi. “Tuttavia, hanno tutti utilizzato superconduttori che si limitavano a confinare la forza del campo magnetico di circa 5 T”. Anche se confinato in questi campi, il plasma fuoriuscirà gradualmente.

Tra il 2018 e il 2021, una collaborazione di ricercatori del PSFC e del CFS ha sviluppato i magneti REBCO con l’obiettivo di potenziare i campi confinanti – e le prestazioni del materiale sono state molto promettenti.

"REBCO è in grado di produrre campi magnetici estremamente elevati e può anche trasportare densità di corrente elettrica molto elevate a temperature fino a 20 K", spiega Hartwig. “Ciò porta a ingegneria e prestazioni superiori nei magneti superconduttori”.

Ora Hartwig e colleghi riportano i risultati di una serie completa di test sulle prestazioni di REBCO come magnete superconduttore, utilizzando strutture di prova appositamente costruite al MIT.

Quasi il doppio

Attraverso esperimenti condotti nel settembre 2021, il materiale ha dimostrato un campo magnetico di picco di oltre 20 T. Questo è quasi il doppio dei campi più alti ottenuti in precedenza in altri magneti superconduttori per applicazioni simili.

Da allora, i ricercatori hanno effettuato ulteriori test che hanno spinto un magnete REBCO ai limiti estremi delle sue prestazioni, effettuando allo stesso tempo un'analisi del suo funzionamento.

Il team ora presenta i risultati in una serie di documenti Transazioni IEEE sulla superconduttività applicata. Forniscono una descrizione approfondita di tutti i componenti del magnete e del loro funzionamento a campi elevati. Il team di Hartwig è ora fiducioso che REBCO sia adatto allo scopo previsto.

"Nonostante gli enormi carichi elettromeccanici, le prestazioni elettriche, termiche e strutturali del magnete si sono comportate esattamente come previsto durante il funzionamento stazionario", afferma Hartwig. «Ciò ha convalidato la modellazione computazionale avanzata sviluppata nel programma e ha confermato sperimentalmente che i magneti superconduttori ad alto campo sono utilizzabili per l’energia di fusione», aggiunge.

Volume molto più piccolo

Fondamentalmente, gli esperimenti hanno dimostrato che REBCO è in grado di sostenere un campo di 12 T adatto al confinamento del plasma all'interno di un volume da 30 a 40 volte più piccolo rispetto ai precedenti dispositivi di fusione.

“La significativa riduzione della scala consentita da REBCO consentirà costi inferiori e tempi più rapidi per costruire dispositivi di confinamento magnetico, nonché economie più favorevoli per le centrali elettriche a energia di fusione”, spiega Hartwig.

“Forse la cosa più importante è che la scala ridotta consente una transizione critica nell’energia da fusione: passare da programmi scientifici multinazionali finanziati dal governo a società finanziate privatamente e orientate alla missione, focalizzate sulla commercializzazione di una nuova fonte di energia a zero emissioni di carbonio”, aggiunge. .

Sulla base delle loro promettenti scoperte, i team PSFC e CFS sperano ora che la loro analisi serva da guida preziosa per la futura ricerca sulla fusione: forse portando uno degli obiettivi più attesi in fisica un passo avanti più vicino alla realtà.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/