Eine umfangreiche in den USA durchgeführte Studie hat bestätigt, dass Magnete aus Hochtemperatursupraleitern aus Seltenerd-Bariumkupferoxid (REBCO) ideal zum Einschließen von Plasma in zukünftigen Fusionsexperimenten geeignet sind. Das Team zeigte, dass die Magnete sowohl robust als auch kompakt sind, was sie zu einer praktischen Option für zukünftige Tokamaks wie z SPARC, das von Commonwealth Fusion Systems (CFS) und dem Plasma Science Fusion Center (PSFC) des MIT entwickelt wird.
Die Studie wurde von Forschern des CFS und des PSFC durchgeführt, die neue Diagnoseinstrumente zur Untersuchung der Magnete entwickelten.
Ein Tokamak-Fusionsreaktor verwendet sehr starke Magnetfelder, um ein Wasserstoffplasma in seinem donutförmigen Inneren einzuschließen. Dadurch kann das Plasma auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, so dass Wasserstoffkerne miteinander verschmelzen – und dabei große Energiemengen freisetzen. Das ultimative Ziel der Tokamak-Forschung besteht darin, aus dem Fusionsplasma viel mehr Energie zu gewinnen, als hineingesteckt wird, und so eine relativ saubere Energiequelle zu schaffen.
Diese Magnetfelder werden durch Elektromagnete erzeugt und in bestehenden Tokamaks werden diese mit Drähten aus einem herkömmlichen Leiter (Kupfer) oder einem Niedertemperatur-Supraleiter gewickelt. Beide Ansätze haben Vor- und Nachteile, daher sind Fusionsforscher daran interessiert, andere Magnetoptionen zu erkunden. Insbesondere wären die meisten bestehenden Magnettechnologien zu groß und zu teuer für den Einsatz in Geräten der nächsten Generation, die höhere Feldstärken erfordern.
Begrenzte Felder
„Supraleitende Magnete mit sehr geringem Stromverbrauch wurden mittlerweile in ausreichenden Maßstäben in Fusionsgeräte integriert“, erklärt Zach Hartwig am MIT, der die neue Analyse leitete. „Allerdings haben sie alle Supraleiter verwendet, die auf die Begrenzung magnetischer Feldstärken von etwa 5 T beschränkt waren.“ Selbst wenn das Plasma auf diese Felder beschränkt ist, tritt es nach und nach aus.
Zwischen 2018 und 2021 entwickelte eine Zusammenarbeit von Forschern des PSFC und des CFS REBCO-Magnete mit dem Ziel, die Begrenzungsfelder zu verstärken – und die Leistung des Materials war sehr vielversprechend.
„REBCO ist in der Lage, extrem hohe Magnetfelder zu erzeugen und auch sehr hohe elektrische Stromdichten bei Temperaturen bis zu 20 K zu übertragen“, erklärt Hartwig. „Dies führt zu überlegener Technik und Leistung bei supraleitenden Magneten.“
Jetzt berichten Hartwig und Kollegen über die Ergebnisse einer umfassenden Reihe von Tests zur Leistung von REBCO als supraleitender Magnet, bei denen speziell dafür gebaute Testeinrichtungen am MIT zum Einsatz kamen.
Fast das Doppelte
Durch im September 2021 durchgeführte Experimente zeigte das Material ein Spitzenmagnetfeld von über 20 T. Dies ist fast das Doppelte der höchsten Felder, die zuvor bei anderen supraleitenden Magneten für ähnliche Anwendungen erreicht wurden.
Seitdem haben die Forscher weitere Tests durchgeführt, bei denen ein REBCO-Magnet an extreme Leistungsgrenzen gebracht und gleichzeitig seine Funktionsweise analysiert wurde.
Das Team stellt seine Ergebnisse nun in einer Reihe von Artikeln vor IEEE-Transaktionen zur angewandten Supraleitung. Sie bieten eine detaillierte Beschreibung aller Komponenten des Magneten und ihrer Leistung bei hohen Feldern. Hartwigs Team ist nun davon überzeugt, dass REBCO für den vorgesehenen Zweck gut geeignet ist.
„Trotz der enormen elektromechanischen Belastungen verhielten sich die elektrischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften des Magneten im stationären Betrieb genau wie vorgesehen“, sagt Hartwig. „Dies bestätigte die im Rahmen des Programms entwickelte fortschrittliche Computermodellierung und bestätigte experimentell, dass supraleitende Hochfeldmagnete für die Fusionsenergie geeignet sind“, fügt er hinzu.
Viel kleineres Volumen
Entscheidend ist, dass die Experimente zeigten, dass REBCO in der Lage ist, ein für den Plasmaeinschluss geeignetes 12-T-Feld in einem Volumen aufrechtzuerhalten, das etwa 30 bis 40 Mal kleiner ist als frühere Fusionsgeräte.
„Die durch REBCO ermöglichte deutliche Größenreduzierung wird niedrigere Kosten und schnellere Zeitpläne für den Bau magnetischer Einschlussvorrichtungen sowie günstigere Wirtschaftlichkeit für Fusionskraftwerke ermöglichen“, erklärt Hartwig.
„Vielleicht am wichtigsten ist, dass der reduzierte Maßstab einen entscheidenden Übergang in der Fusionsenergie ermöglicht: den Übergang von multinationalen, staatlich finanzierten Wissenschaftsprogrammen zu privat finanzierten, missionsorientierten Unternehmen, die sich auf die Kommerzialisierung einer tragfähigen neuen kohlenstofffreien Energiequelle konzentrieren“, fügt er hinzu .
Basierend auf ihren vielversprechenden Erkenntnissen hoffen die PSFC- und CFS-Teams nun, dass ihre Analyse als wertvoller Leitfaden für die zukünftige Fusionsforschung dienen und möglicherweise eines der am längsten erwarteten Ziele der Physik der Realität einen Schritt näher bringen wird.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/
