REBCO högtemperatursupraledare är idealiska för tokamak-magneter, visar studien – Physics World

En omfattande studie gjord i USA har bekräftat att magneter gjorda av sällsynta jordartsmetaller av bariumkopparoxid (REBCO) högtemperatursupraledare är idealiska för att begränsa plasma i framtida fusionsexperiment. Teamet visade att magneterna är både robusta och kompakta, vilket gör dem till ett praktiskt alternativ för framtida tokamaks som t.ex SPARC, som utvecklas av Commonwealth Fusion Systems (CFS) och MIT:s Plasma Science Fusion Center (PSFC).

Studien gjordes av forskare vid CFS och PSFC, som skapade nya diagnostiska instrument för att studera magneterna.

En tokamak-fusionsreaktor använder mycket starka magnetfält för att begränsa en väteplasma inuti dess munkformade inre. Detta gör att plasman kan värmas upp till mycket höga temperaturer så att vätekärnor smälter samman – vilket frigör stora mängder energi. Det yttersta målet med tokamak-forskning är att få ut mycket mer energi från att smälta plasma än vad som sätts in, och på så sätt skapa en relativt ren energikälla.

Dessa magnetiska fält skapas av elektromagneter och i befintliga tokamaks lindas dessa med hjälp av ledningar gjorda av en konventionell ledare (koppar) eller en lågtemperatursupraledare. Båda tillvägagångssätten har fördelar och begränsningar, så fusionsforskare är angelägna om att utforska andra magnetalternativ. I synnerhet skulle de flesta befintliga magnetteknologier vara för stora och för dyra för användning i nästa generations enheter som kommer att kräva högre fältnivåer.

Begränsade fält

"Supraledande magneter med mycket låg strömförbrukning har nu integrerats i fusionsenheter i tillräcklig skala", förklarar Zach Hartwig vid MIT, som ledde den nya analysen. "Men de har alla använt supraledare som var begränsade till att begränsa magnetfältstyrkor på cirka 5 T." Även när den är begränsad till dessa fält kommer plasma gradvis att läcka ut.

Mellan 2018 och 2021 utvecklade ett samarbete mellan forskare vid PSFC och CFS REBCO-magneter med syftet att öka begränsande fält – och materialets prestanda var mycket lovande.

"REBCO kan producera extremt höga magnetfält och kan också bära mycket höga elektriska strömtätheter vid temperaturer upp till 20 K", förklarar Hartwig. "Detta leder till överlägsen ingenjörskonst och prestanda i supraledande magneter."

Nu rapporterar Hartwig och kollegor resultaten av ett omfattande batteri av tester av REBCOs prestanda som en supraledande magnet, med hjälp av specialbyggda testanläggningar vid MIT.

Nästan dubbelt

Genom experiment utförda i september 2021 visade materialet ett toppmagnetfält på över 20 T. Detta är nästan dubbelt så högt som tidigare uppnåtts i andra supraledande magneter för liknande tillämpningar.

Sedan dess har forskarna genomfört ytterligare tester som pressade en REBCO-magnet till extrema gränser för dess prestanda, samtidigt som de gjorde en analys av dess funktion.

Teamet presenterar nu sina resultat i en serie artiklar i IEEE-transaktioner på tillämpad supraledning. De ger en djupgående beskrivning av alla magnetens komponenter och hur de presterade vid höga fält. Hartwigs team är nu övertygade om att REBCO är väl lämpad för sitt avsedda syfte.

"Trots de enorma elektromekaniska belastningarna, uppträdde magnetens elektriska, termiska och strukturella prestanda exakt som designad i stationär drift", säger Hartwig. "Detta validerade den avancerade beräkningsmodelleringen som utvecklats i programmet och bekräftade experimentellt att supraledande magneter med högt fält är livskraftiga för fusionsenergi", tillägger han.

Mycket mindre volym

Experimenten visade att REBCO kan upprätthålla ett 12 T-fält som är lämpligt för plasmainneslutning inom en volym som är cirka 30 till 40 gånger mindre än tidigare fusionsenheter.

"Den betydande skalreduktion som möjliggörs av REBCO kommer att möjliggöra lägre kostnader och snabbare scheman för att bygga magnetiska inneslutningsanordningar, samt mer gynnsam ekonomi för fusionsenergikraftverk", förklarar Hartwig.

"Kanske viktigast av allt, den minskade skalan möjliggör en kritisk övergång inom fusionsenergi: att gå från multinationella, statligt finansierade vetenskapsprogram till privatfinansierade, uppdragsdrivna företag, fokuserade på att kommersialisera en livskraftig ny energikälla utan koldioxid," tillägger han .

Baserat på deras lovande resultat hoppas PSFC- och CFS-teamen nu att deras analys kommer att fungera som en värdefull guide för framtida fusionsforskning: kanske föra ett av de mest efterlängtade målen inom fysiken ett steg närmare verkligheten.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/