Badania sugerują, że nadprzewodniki wysokotemperaturowe REBCO idealnie nadają się do magnesów tokamaków – Physics World

Badania sugerują, że nadprzewodniki wysokotemperaturowe REBCO idealnie nadają się do magnesów tokamaków – Physics World

Znacznik czasu: 4 kwietnia 2024 12:02


Magnesy REBCO
Tokamak w drodze: nowe magnesy w ośrodku testowym PSFC. Osiągnęli rekordową na świecie siłę pola magnetycznego wynoszącą 20 T dla magnesu o dużej skali. (Dzięki uprzejmości: Gretchen Ertl)

Obszerne badania przeprowadzone w USA potwierdziły, że magnesy wykonane z wysokotemperaturowych nadprzewodników z tlenku baru i miedzi ziem rzadkich (REBCO) idealnie nadają się do ograniczania plazmy w przyszłych eksperymentach z syntezą termojądrową. Zespół wykazał, że magnesy są zarówno wytrzymałe, jak i kompaktowe, co czyni je praktyczną opcją dla przyszłych tokamaków, takich jak SPARC, nad którym pracują Commonwealth Fusion Systems (CFS) i Plasma Science Fusion Center (PSFC) MIT.

Badania przeprowadzili naukowcy z CFS i PSFC, którzy stworzyli nowe instrumenty diagnostyczne do badania magnesów.

Reaktor termojądrowy tokamaka wykorzystuje bardzo silne pola magnetyczne do zamknięcia plazmy wodorowej w swoim wnętrzu w kształcie pączka. Umożliwia to podgrzanie plazmy do bardzo wysokich temperatur, w wyniku czego jądra wodoru łączą się ze sobą, uwalniając duże ilości energii. Ostatecznym celem badań nad tokamakiem jest uzyskanie znacznie większej ilości energii z topnienia plazmy, niż jest dostarczane, tworząc w ten sposób stosunkowo czyste źródło energii.

Te pola magnetyczne są wytwarzane przez elektromagnesy, a w istniejących tokamakach są one nawijane za pomocą drutów wykonanych z konwencjonalnego przewodnika (miedzi) lub nadprzewodnika niskotemperaturowego. Obydwa podejścia mają zalety i ograniczenia, dlatego badacze syntezy jądrowej chętnie badają inne opcje magnesów. W szczególności większość istniejących technologii magnesów byłaby zbyt duża i zbyt droga, aby można je było zastosować w urządzeniach nowej generacji, które będą wymagały wyższych poziomów pola.

Ograniczone pola

„Magnesy nadprzewodzące o bardzo niskim zużyciu energii zostały obecnie zintegrowane w urządzeniach termojądrowych w wystarczającej skali” – wyjaśnia Zacha Hartwiga w MIT, który kierował nową analizą. „Jednak wszyscy używali nadprzewodników, które ograniczały się do ograniczania natężenia pola magnetycznego wynoszącego około 5 T”. Nawet uwięziona w tych polach plazma będzie stopniowo wyciekać.

W latach 2018–2021 w ramach współpracy naukowców z PSFC i CFS opracowano magnesy REBCO w celu wzmocnienia pól ograniczających, a działanie materiału było bardzo obiecujące.

„REBCO jest w stanie wytwarzać niezwykle silne pola magnetyczne, a także przewodzić prąd elektryczny o bardzo dużej gęstości w temperaturach do 20 K” – wyjaśnia Hartwig. „Prowadzi to do doskonałej inżynierii i wydajności magnesów nadprzewodzących”.

Obecnie Hartwig i współpracownicy przedstawiają wyniki obszernego zestawu testów działania REBCO jako magnesu nadprzewodzącego, przeprowadzonych przy użyciu specjalnie zbudowanych obiektów testowych w MIT.

Prawie podwójne

W wyniku eksperymentów przeprowadzonych we wrześniu 2021 r. materiał wykazywał szczytowe pole magnetyczne o wartości ponad 20 T. To prawie dwukrotnie najwyższe pola osiągane wcześniej w innych magnesach nadprzewodzących do podobnych zastosowań.

Od tego czasu badacze przeprowadzili dalsze testy, które doprowadziły magnes REBCO do skrajnych granic jego wydajności, jednocześnie analizując jego działanie.

Zespół prezentuje obecnie swoje ustalenia w serii artykułów opublikowanych w Transakcje IEEE dotyczące nadprzewodnictwa stosowanego. Zawierają szczegółowy opis wszystkich elementów magnesu oraz ich działania przy dużych polach. Zespół Hartwiga jest teraz pewien, że REBCO dobrze nadaje się do zamierzonego celu.

„Pomimo ogromnych obciążeń elektromechanicznych, właściwości elektryczne, termiczne i strukturalne magnesu zachowywały się dokładnie tak, jak zaprojektowano w przypadku pracy w stanie ustalonym” – mówi Hartwig. „Potwierdziło to zaawansowane modelowanie obliczeniowe opracowane w ramach programu i potwierdziło eksperymentalnie, że magnesy nadprzewodzące o wysokim polu nadają się do wykorzystania energii termojądrowej” – dodaje.

Znacznie mniejsza objętość

Co najważniejsze, eksperymenty wykazały, że REBCO jest w stanie utrzymać pole o natężeniu 12 T odpowiednie do zamknięcia plazmy w objętości około 30 do 40 razy mniejszej niż poprzednie urządzenia termojądrowe.

„Znaczące zmniejszenie skali możliwe dzięki REBCO umożliwi niższe koszty i szybsze harmonogramy budowy urządzeń do zamykania magnetycznego, a także korzystniejszą ekonomikę dla elektrowni wykorzystujących energię termojądrową” – wyjaśnia Hartwig.

„Być może najważniejsze jest to, że zmniejszona skala umożliwia krytyczną transformację w dziedzinie energii termojądrowej: przejście od międzynarodowych, finansowanych przez rząd programów naukowych do finansowanych ze środków prywatnych firm ukierunkowanych na misję, skupionych na komercjalizacji nowego, opłacalnego źródła energii o zerowej emisji dwutlenku węgla” – dodaje. .

W oparciu o obiecujące ustalenia zespoły PSFC i CFS mają teraz nadzieję, że ich analiza posłuży jako cenny przewodnik dla przyszłych badań nad syntezą termojądrową: być może przybliżając jeden z najbardziej długo oczekiwanych celów w fizyce o krok do rzeczywistości.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki