מוליכים בטמפרטורה גבוהה של REBCO הם אידיאליים עבור מגנטים של טוקאמק, מחקר מציע

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

מגנטים של REBCO — Tokamak bound: המגנטים החדשים במתקן הבדיקה של PSFC. הם השיגו חוזק שדה מגנטי של שיא עולמי של 20 T עבור מגנט בקנה מידה גדול. (באדיבות: גרטשן ארטל)

מחקר נרחב שנעשה בארה"ב אישר שמגנטים העשויים מחומוצת אדמה נדירה בריום נחושת (REBCO) בטמפרטורה גבוהה הם אידיאליים להגביל פלזמה בניסויי היתוך עתידיים. הצוות הראה שהמגנטים הם גם חזקים וגם קומפקטיים, מה שהופך אותם לאופציה מעשית עבור טוקאמקים עתידיים כגון SPARC, אשר מפותח על ידי Commonwealth Fusion Systems (CFS) ומרכז הפלזמה מדעי היתוך (PSFC) של MIT.

המחקר נעשה על ידי חוקרים ב-CFS ו-PSFC, שיצרו מכשירי אבחון חדשים לחקר המגנטים.

כור היתוך טוקאמק משתמש בשדות מגנטיים חזקים מאוד כדי להגביל פלזמת מימן בתוך פנים בצורת סופגניה. זה מאפשר לחמם את הפלזמה לטמפרטורות גבוהות מאוד כך שגרעיני מימן מתמזגים יחד - ומשחררים כמויות גדולות של אנרגיה. המטרה הסופית של מחקר טוקאמק היא להוציא הרבה יותר אנרגיה מהתוך פלזמה מאשר מוכנסת, ובכך ליצור מקור אנרגיה נקי יחסית.

שדות מגנטיים אלו נוצרים על ידי אלקטרומגנטים ובטוקאמקים קיימים, אלו מפותלים באמצעות חוטים העשויים ממוליך קונבנציונלי (נחושת) או מוליך-על בטמפרטורה נמוכה. לשתי הגישות יש יתרונות ומגבלות, ולכן חוקרי היתוך להוטים לחקור אפשרויות מגנט אחרות. בפרט, רוב טכנולוגיות המגנט הקיימות יהיו גדולות מדי ויקרות מדי לשימוש במכשירי הדור הבא שידרשו רמות שדה גבוהות יותר.

שדות מוגבלים

"מגנטים מוליכים-על עם צריכת חשמל נמוכה מאוד שולבו כעת במכשירי היתוך בקנה מידה מספיק", מסביר זך הרטוויג ב-MIT, שהוביל את הניתוח החדש. "עם זאת, כולם השתמשו במוליכי-על שהוגבלו להגביל עוצמות שדה מגנטי של כ-5 T." גם כאשר היא מוגבלת בשדות אלה, הפלזמה תדלוף החוצה בהדרגה.

בין השנים 2018 ל-2021, שיתוף פעולה של חוקרים ב-PSFC ו-CFS פיתח מגנטים של REBCO במטרה להגביר את השדות המגבילים - והביצועים של החומר היו מבטיחים מאוד.

"REBCO מסוגלת לייצר שדות מגנטיים גבוהים במיוחד, ויכולה גם לשאת צפיפות זרם חשמלית גבוהה מאוד בטמפרטורות של עד 20 K", מסביר הרטוויג. "זה מוביל להנדסה וביצועים מעולים במגנטים מוליכים".

כעת הרטוויג ועמיתיו מדווחים על תוצאות של סוללת בדיקות מקיפה של הביצועים של REBCO כמגנט מוליך-על, תוך שימוש במתקני בדיקה ייעודיים ב-MIT.

כמעט כפול

באמצעות ניסויים שבוצעו בספטמבר 2021, החומר הדגים שיא שדה מגנטי של מעל 20 T. זהו כמעט כפול מהשדות הגבוהים ביותר שהושגו בעבר במגנטים מוליכים אחרים עבור יישומים דומים.

מאז, החוקרים ביצעו בדיקות נוספות שדחפו את מגנט REBCO לגבולות קיצוניים של ביצועיו, תוך כדי ניתוח פעולתו.

הצוות מציג כעת את ממצאיו בסדרת מאמרים ב עסקאות IEEE על מוליכות-על יישומית. הם מספקים תיאור מעמיק של כל מרכיבי המגנט וכיצד הם התפקדו בשדות גבוהים. הצוות של הרטוויג בטוח כעת ש-REBCO מתאימה היטב למטרה המיועדת לה.

"למרות העומסים האלקטרומכניים העצומים, הביצועים החשמליים, התרמיים והמבניים של המגנט התנהגו בדיוק כפי שתוכנן בפעולה במצב יציב", אומר הרטוויג. "זה אימת את המודלים החישוביים המתקדמים שפותחו בתוכנית, ואישר בניסוי שמגנטים בעלי מוליכים בשדה גבוה הם ברי קיימא לאנרגיית היתוך", הוא מוסיף.

נפח קטן בהרבה

באופן מכריע, הניסויים הוכיחו ש-REBCO מסוגל לקיים שדה של 12 T המתאים לכליאת פלזמה בנפח קטן פי 30 עד 40 ממכשירי היתוך קודמים.

"ההפחתה המשמעותית בהיקף המאפשרת REBCO תאפשר עלויות נמוכות יותר ולוחות זמנים מהירים יותר לבניית התקני כליאה מגנטיים, כמו גם כלכלה נוחה יותר עבור תחנות כוח של אנרגיה היתוך", מסביר הרטוויג.

"אולי הכי חשוב, ההיקף המופחת מאפשר מעבר קריטי באנרגיית היתוך: מעבר מתכניות מדע רב-לאומיות במימון ממשלתי לחברות ממומנות פרטיות, מונעות משימות, המתמקדות במסחור מקור אנרגיה חדש אפס פחמן בר-קיימא", הוא מוסיף. .

בהתבסס על הממצאים המבטיחים שלהם, צוותי PSFC ו-CFS מקווים כעת שהניתוח שלהם ישמש מדריך רב ערך למחקר היתוך עתידי: אולי יביא את אחת המטרות המיוחלות ביותר בפיזיקה צעד אחד קרוב יותר למציאות.