أكدت دراسة موسعة أجريت في الولايات المتحدة أن المغناطيسات المصنوعة من الموصلات الفائقة عالية الحرارة لأكسيد نحاس الباريوم الأرضي النادر (REBCO) مثالية لحصر البلازما في تجارب الاندماج المستقبلية. أظهر الفريق أن المغناطيسات قوية ومدمجة، مما يجعلها خيارًا عمليًا للتوكاماك المستقبلية مثل SPARC، والذي يتم تطويره بواسطة أنظمة الكومنولث فيوجن (CFS) ومركز دمج علوم البلازما (PSFC) التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تم إجراء الدراسة من قبل باحثين في CFS وPSFC، الذين ابتكروا أدوات تشخيصية جديدة لدراسة المغناطيس.

يستخدم مفاعل توكاماك الاندماجي مجالات مغناطيسية قوية جدًا لحصر بلازما الهيدروجين داخل الجزء الداخلي الذي يشبه الدونات. وهذا يسمح بتسخين البلازما إلى درجات حرارة عالية جدًا بحيث تندمج نوى الهيدروجين معًا، مما يؤدي إلى إطلاق كميات كبيرة من الطاقة. الهدف النهائي لأبحاث توكاماك هو الحصول على طاقة أكبر بكثير من دمج البلازما مقارنة بما يتم إدخاله، وبالتالي خلق مصدر نظيف نسبيًا للطاقة.

يتم إنشاء هذه المجالات المغناطيسية بواسطة المغناطيسات الكهربائية وفي التوكاماك الموجودة، يتم لفها باستخدام أسلاك مصنوعة من موصل تقليدي (النحاس) أو موصل فائق منخفض الحرارة. كلا النهجين لهما مزايا وقيود، لذلك يحرص الباحثون في مجال الاندماج على استكشاف خيارات المغناطيس الأخرى. على وجه الخصوص، ستكون معظم تقنيات المغناطيس الحالية كبيرة جدًا ومكلفة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها في أجهزة الجيل التالي التي تتطلب مستويات مجال أعلى.

مجالات محدودة

يشرح قائلاً: "لقد تم الآن دمج مغناطيسات فائقة التوصيل ذات استهلاك منخفض جدًا للطاقة في أجهزة الاندماج على نطاقات كافية". زاك هارتويج في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي قاد التحليل الجديد. "ومع ذلك، فقد استخدموا جميعهم الموصلات الفائقة التي اقتصرت على حصر شدة المجال المغناطيسي بحوالي 5 تسلا." حتى عندما تكون محصورة في هذه الحقول، سوف تتسرب البلازما تدريجيًا.

بين عامي 2018 و2021، قام الباحثون في PSFC وCFS بتطوير مغناطيسات REBCO بهدف تعزيز المجالات المحصورة - وكان أداء المواد واعدًا للغاية.

يوضح هارتويج: "إن REBCO قادر على إنتاج مجالات مغناطيسية عالية للغاية، ويمكنه أيضًا حمل كثافات تيار كهربائي عالية جدًا عند درجات حرارة تصل إلى 20 كلفن". "وهذا يؤدي إلى هندسة وأداء متفوقين في المغناطيس فائق التوصيل."

الآن أبلغ هارتويج وزملاؤه عن نتائج مجموعة شاملة من الاختبارات لأداء REBCO كمغناطيس فائق التوصيل، وذلك باستخدام مرافق اختبار مخصصة لهذا الغرض في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

ضعف تقريبا

من خلال التجارب التي تم إجراؤها في سبتمبر 2021، أظهرت المادة ذروة مجال مغناطيسي يزيد عن 20 تسلا. وهذا تقريبًا ضعف أعلى المجالات التي تم تحقيقها سابقًا في مغناطيسات فائقة التوصيل أخرى لتطبيقات مماثلة.

منذ ذلك الحين، أجرى الباحثون المزيد من الاختبارات التي دفعت مغناطيس REBCO إلى أقصى حدود أدائه، أثناء إجراء تحليل لعمله.

يقدم الفريق الآن النتائج التي توصلوا إليها في سلسلة من الأوراق في معاملات IEEE على الموصلية الفائقة التطبيقية. أنها توفر وصفًا متعمقًا لجميع مكونات المغناطيس وكيفية أدائها في المجالات العالية. أصبح فريق Hartwig الآن واثقًا من أن REBCO مناسب تمامًا للغرض المقصود منه.

يقول هارتويج: "على الرغم من الأحمال الكهروميكانيكية الهائلة، فإن الأداء الكهربائي والحراري والهيكلي للمغناطيس تصرف تمامًا كما هو مصمم في حالة التشغيل المستقر". ويضيف: "لقد أثبت هذا صحة النمذجة الحسابية المتقدمة التي تم تطويرها في البرنامج، وأكد تجريبيًا أن المغناطيسات فائقة التوصيل عالية المجال قابلة للاستخدام في طاقة الاندماج".

حجم أصغر بكثير

بشكل حاسم، أظهرت التجارب أن REBCO قادر على الحفاظ على مجال 12 T مناسب لحبس البلازما ضمن حجم أصغر بنحو 30 إلى 40 مرة من أجهزة الاندماج السابقة.

"إن التخفيض الكبير في الحجم الذي أتاحته REBCO سيمكن من خفض التكاليف وجداول زمنية أسرع لبناء أجهزة الحبس المغناطيسي، فضلا عن اقتصاديات أكثر ملاءمة لمحطات توليد الطاقة الاندماجية،" يشرح هارتويج.

ويضيف: "ربما الأهم من ذلك هو أن الحجم المنخفض يتيح تحولًا حاسمًا في طاقة الاندماج: الانتقال من البرامج العلمية متعددة الجنسيات التي تمولها الحكومة إلى شركات ممولة من القطاع الخاص ومدفوعة بالمهمة، تركز على تسويق مصدر طاقة جديد قابل للتطبيق خالٍ من الكربون". .

بناءً على النتائج الواعدة التي توصلوا إليها، يأمل فريقا PSFC وCFS الآن أن يكون تحليلهم بمثابة دليل قيم لأبحاث الاندماج المستقبلية: ربما يجعل أحد أكثر الأهداف التي طال انتظارها في الفيزياء أقرب إلى الواقع.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/