ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง REBCO เหมาะสำหรับแม่เหล็ก tokamak การศึกษาแนะนำ – Physics World

ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง REBCO เหมาะสำหรับแม่เหล็ก tokamak การศึกษาแนะนำ – Physics World

ประทับเวลา: 4 เมษายน 2024 12:02 น


แม่เหล็ก REBCO
Tokamak ผูกพัน: แม่เหล็กใหม่ที่ศูนย์ทดสอบ PSFC พวกเขาได้รับความแรงของสนามแม่เหล็กที่เป็นสถิติโลกที่ 20 T สำหรับแม่เหล็กขนาดใหญ่ (มารยาท: เกร็ตเชน เอิร์ต)

การศึกษาอย่างกว้างขวางที่ทำในสหรัฐอเมริกาได้ยืนยันว่าแม่เหล็กที่ทำจากตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูงแบเรียมคอปเปอร์ออกไซด์ (REBCO) ของธาตุหายากนั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจำกัดพลาสมาในการทดลองฟิวชันในอนาคต ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าแม่เหล็กทั้งแข็งแกร่งและกะทัดรัด ทำให้เป็นทางเลือกที่เป็นประโยชน์สำหรับโทคามัคในอนาคต เช่น SPARCซึ่งกำลังได้รับการพัฒนาโดย Commonwealth Fusion Systems (CFS) และ Plasma Science Fusion Center (PSFC) ของ MIT

การศึกษานี้ดำเนินการโดยนักวิจัยจาก CFS และ PSFC ซึ่งเป็นผู้สร้างเครื่องมือวินิจฉัยใหม่สำหรับศึกษาแม่เหล็ก

เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันโทคามักใช้สนามแม่เหล็กแรงมากเพื่อจำกัดพลาสมาไฮโดรเจนไว้ภายในรูปทรงโดนัท ซึ่งช่วยให้พลาสมาได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่สูงมากเพื่อให้นิวเคลียสของไฮโดรเจนหลอมรวมเข้าด้วยกัน และปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา เป้าหมายสูงสุดของการวิจัยของ tokamak คือเพื่อให้ได้พลังงานจากพลาสมาหลอมละลายมากกว่าที่ใส่เข้าไป จึงเป็นการสร้างแหล่งพลังงานที่ค่อนข้างสะอาด

สนามแม่เหล็กเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยแม่เหล็กไฟฟ้า และในโทคามักซ์ที่มีอยู่ สนามแม่เหล็กเหล่านี้ถูกพันโดยใช้สายไฟที่ทำจากตัวนำธรรมดา (ทองแดง) หรือตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำ ทั้งสองวิธีมีข้อดีและข้อจำกัด ดังนั้นนักวิจัยฟิวชันจึงกระตือรือร้นที่จะสำรวจตัวเลือกแม่เหล็กอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเทคโนโลยีแม่เหล็กที่มีอยู่ส่วนใหญ่จะใหญ่เกินไปและมีราคาแพงเกินไปสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ยุคหน้าซึ่งจะต้องมีระดับสนามที่สูงขึ้น

เขตข้อมูลที่จำกัด

"แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ใช้พลังงานต่ำมากได้ถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์ฟิวชันในขนาดที่เพียงพอแล้ว" อธิบาย แซค ฮาร์ทวิก ที่ MIT ซึ่งเป็นผู้นำการวิเคราะห์ครั้งใหม่ “อย่างไรก็ตาม พวกเขาทั้งหมดใช้ตัวนำยิ่งยวดที่ถูกจำกัดความแรงของสนามแม่เหล็กไว้ที่ประมาณ 5 T” แม้ว่าจะถูกจำกัดอยู่ในบริเวณเหล่านี้ พลาสมาก็จะค่อยๆ รั่วไหลออกมา

ระหว่างปี 2018 ถึง 2021 การทำงานร่วมกันของนักวิจัยที่ PSFC และ CFS ได้พัฒนาแม่เหล็ก REBCO โดยมีเป้าหมายในการเพิ่มพื้นที่ที่มีพื้นที่จำกัด และประสิทธิภาพของวัสดุก็มีแนวโน้มที่ดีเช่นกัน

“REBCO สามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่สูงมาก และยังสามารถส่งกระแสไฟฟ้าที่มีความหนาแน่นสูงมากที่อุณหภูมิสูงถึง 20 K” Hartwig อธิบาย "สิ่งนี้นำไปสู่วิศวกรรมที่เหนือกว่าและประสิทธิภาพในแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด"

ตอนนี้ Hartwig และเพื่อนร่วมงานรายงานผลการทดสอบแบตเตอรี่ที่ครอบคลุมประสิทธิภาพของ REBCO ในฐานะแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด โดยใช้เครื่องมือทดสอบที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะที่ MIT

เกือบสองเท่า

จากการทดลองที่ดำเนินการในเดือนกันยายน พ.ศ. 2021 วัสดุดังกล่าวแสดงให้เห็นสนามแม่เหล็กระดับพีคที่มากกว่า 20 ตัน ซึ่งเกือบเป็นสองเท่าของสนามแม่เหล็กที่สูงที่สุดที่เคยทำได้ก่อนหน้านี้ในแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอื่นๆ สำหรับการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน

ตั้งแต่นั้นมา นักวิจัยได้ทำการทดสอบเพิ่มเติมที่ผลักดันแม่เหล็ก REBCO ให้ถึงขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันก็ทำการวิเคราะห์การทำงานของแม่เหล็กไปด้วย

ทีมงานได้นำเสนอข้อค้นพบของพวกเขาในเอกสารชุดต่างๆ ใน ธุรกรรม IEEE เกี่ยวกับการนำยิ่งยวดประยุกต์- โดยให้คำอธิบายเชิงลึกเกี่ยวกับส่วนประกอบทั้งหมดของแม่เหล็กและวิธีการทำงานที่สนามสูง ขณะนี้ทีมงานของ Hartwig มั่นใจว่า REBCO เหมาะสมอย่างยิ่งกับวัตถุประสงค์ที่ตั้งใจไว้

“แม้จะมีโหลดทางเครื่องกลไฟฟ้าจำนวนมหาศาล ประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความร้อน และโครงสร้างของแม่เหล็กก็มีพฤติกรรมตรงตามที่ออกแบบไว้ในการทำงานในสภาวะคงที่” Hartwig กล่าว "สิ่งนี้เป็นการตรวจสอบความถูกต้องของการสร้างแบบจำลองการคำนวณขั้นสูงที่พัฒนาขึ้นในโปรแกรม และได้รับการยืนยันจากการทดลองว่าแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวดในสนามสูงสามารถนำไปใช้เป็นพลังงานฟิวชันได้" เขากล่าวเสริม

ปริมาณน้อยกว่ามาก

การทดลองแสดงให้เห็นว่า REBCO สามารถรักษาสนาม 12 T ไว้ซึ่งเหมาะสำหรับการกักขังพลาสมาภายในปริมาตรที่เล็กกว่าอุปกรณ์ฟิวชันรุ่นก่อนๆ ประมาณ 30 ถึง 40 เท่า

“การลดขนาดลงอย่างมากโดย REBCO จะช่วยให้ต้นทุนลดลงและกำหนดเวลาที่รวดเร็วขึ้นในการสร้างอุปกรณ์กักขังด้วยแม่เหล็ก เช่นเดียวกับเศรษฐศาสตร์ที่เป็นประโยชน์มากขึ้นสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชัน” Hartwig อธิบาย

“บางทีสิ่งที่สำคัญที่สุดคือ ขนาดที่ลดลงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในพลังงานฟิวชั่น: การย้ายจากโครงการวิทยาศาสตร์ข้ามชาติที่ได้รับทุนสนับสนุนจากรัฐบาล ไปสู่บริษัทที่ขับเคลื่อนด้วยพันธกิจที่ได้รับทุนจากเอกชน โดยมุ่งเน้นที่การค้าแหล่งพลังงานคาร์บอนเป็นศูนย์แห่งใหม่ที่มีศักยภาพ” เขากล่าวเสริม .

จากการค้นพบที่น่าหวัง ทีม PSFC และ CFS หวังว่าการวิเคราะห์ของพวกเขาจะเป็นแนวทางที่มีคุณค่าสำหรับการวิจัยฟิวชั่นในอนาคต บางทีอาจนำหนึ่งในเป้าหมายที่รอคอยมานานที่สุดในวิชาฟิสิกส์เข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้นอีกก้าวหนึ่ง

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์