Μια εκτεταμένη μελέτη που έγινε στις ΗΠΑ επιβεβαίωσε ότι οι μαγνήτες που κατασκευάζονται από υπεραγωγούς υψηλής θερμοκρασίας οξειδίου του βαρίου σπάνιων γαιών (REBCO) είναι ιδανικοί για τον περιορισμό του πλάσματος σε μελλοντικά πειράματα σύντηξης. Η ομάδα έδειξε ότι οι μαγνήτες είναι και στιβαροί και συμπαγείς, καθιστώντας τους μια πρακτική επιλογή για μελλοντικά tokamaks όπως SPARC, το οποίο αναπτύσσεται από την Commonwealth Fusion Systems (CFS) και το Plasma Science Fusion Center (PSFC) του MIT.
Η μελέτη έγινε από ερευνητές στο CFS και στο PSFC, οι οποίοι δημιούργησαν νέα διαγνωστικά όργανα για τη μελέτη των μαγνητών.
Ένας αντιδραστήρας σύντηξης tokamak χρησιμοποιεί πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία για να περιορίσει ένα πλάσμα υδρογόνου στο εσωτερικό του σε σχήμα ντόνατ. Αυτό επιτρέπει στο πλάσμα να θερμαίνεται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, έτσι ώστε οι πυρήνες του υδρογόνου να συγχωνεύονται – απελευθερώνοντας μεγάλες ποσότητες ενέργειας. Ο απώτερος στόχος της έρευνας του tokamak είναι να ληφθεί πολύ περισσότερη ενέργεια από τη σύντηξη του πλάσματος από ό,τι δίνεται, δημιουργώντας έτσι μια σχετικά καθαρή πηγή ενέργειας.
Αυτά τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από ηλεκτρομαγνήτες και στα υπάρχοντα tokamaks, τυλίγονται χρησιμοποιώντας σύρματα κατασκευασμένα από έναν συμβατικό αγωγό (χαλκό) ή έναν υπεραγωγό χαμηλής θερμοκρασίας. Και οι δύο προσεγγίσεις έχουν πλεονεκτήματα και περιορισμούς, επομένως οι ερευνητές της σύντηξης ενδιαφέρονται να εξερευνήσουν άλλες επιλογές μαγνητών. Συγκεκριμένα, οι περισσότερες υπάρχουσες τεχνολογίες μαγνητών θα ήταν πολύ μεγάλες και πολύ ακριβές για χρήση σε συσκευές επόμενης γενιάς που θα απαιτήσουν υψηλότερα επίπεδα πεδίου.
Περιορισμένα πεδία
«Υπεραγώγιμοι μαγνήτες με πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας έχουν πλέον ενσωματωθεί σε συσκευές σύντηξης σε επαρκή κλίμακα», εξηγεί Zach Hartwig στο MIT, ο οποίος ηγήθηκε της νέας ανάλυσης. «Ωστόσο, όλοι έχουν χρησιμοποιήσει υπεραγωγούς που περιορίζονταν σε περιορισμούς ισχύος μαγνητικού πεδίου περίπου 5 Τ». Ακόμη και όταν περιορίζεται σε αυτά τα πεδία, το πλάσμα θα διαρρεύσει σταδιακά.
Μεταξύ 2018 και 2021, μια συνεργασία ερευνητών στο PSFC και το CFS ανέπτυξε μαγνήτες REBCO με στόχο την ενίσχυση των περιορισμένων πεδίων – και η απόδοση του υλικού ήταν πολλά υποσχόμενη.
«Η REBCO είναι ικανή να παράγει εξαιρετικά υψηλά μαγνητικά πεδία και μπορεί επίσης να μεταφέρει πολύ υψηλές πυκνότητες ηλεκτρικού ρεύματος σε θερμοκρασίες έως 20 K», εξηγεί ο Hartwig. "Αυτό οδηγεί σε ανώτερη μηχανική και απόδοση σε υπεραγώγιμους μαγνήτες."
Τώρα ο Hartwig και οι συνεργάτες του αναφέρουν τα αποτελέσματα μιας ολοκληρωμένης σειράς δοκιμών της απόδοσης της REBCO ως υπεραγώγιμου μαγνήτη, χρησιμοποιώντας ειδικά κατασκευασμένες εγκαταστάσεις δοκιμών στο MIT.
Σχεδόν διπλάσιο
Μέσω πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν τον Σεπτέμβριο του 2021, το υλικό έδειξε ένα μέγιστο μαγνητικό πεδίο άνω των 20 Τ. Αυτό είναι σχεδόν διπλάσιο από τα υψηλότερα πεδία που είχαν επιτευχθεί στο παρελθόν σε άλλους υπεραγώγιμους μαγνήτες για παρόμοιες εφαρμογές.
Έκτοτε, οι ερευνητές πραγματοποίησαν περαιτέρω δοκιμές που ώθησαν έναν μαγνήτη REBCO στα ακραία όρια της απόδοσής του, ενώ έκαναν μια ανάλυση της λειτουργίας του.
Η ομάδα παρουσιάζει τώρα τα ευρήματά της σε μια σειρά εργασιών στο Συναλλαγές IEEE σχετικά με την εφαρμοσμένη υπεραγωγιμότητα. Παρέχουν μια εις βάθος περιγραφή όλων των στοιχείων του μαγνήτη και της απόδοσης τους σε υψηλά πεδία. Η ομάδα του Hartwig είναι πλέον πεπεισμένη ότι η REBCO είναι κατάλληλη για τον προορισμό της.
"Παρά τα τεράστια ηλεκτρομηχανικά φορτία, η ηλεκτρική, θερμική και δομική απόδοση του μαγνήτη συμπεριφέρθηκε ακριβώς όπως σχεδιάστηκε σε λειτουργία σταθερής κατάστασης", λέει ο Hartwig. «Αυτό επικύρωσε την προηγμένη υπολογιστική μοντελοποίηση που αναπτύχθηκε στο πρόγραμμα και επιβεβαίωσε πειραματικά ότι οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες υψηλού πεδίου είναι βιώσιμοι για την ενέργεια σύντηξης», προσθέτει.
Πολύ μικρότερος όγκος
Κυρίως, τα πειράματα έδειξαν ότι το REBCO είναι ικανό να διατηρήσει ένα πεδίο 12 Τ κατάλληλο για περιορισμό πλάσματος σε όγκο περίπου 30 έως 40 φορές μικρότερο από τις προηγούμενες συσκευές σύντηξης.
«Η σημαντική μείωση της κλίμακας που επιτρέπει η REBCO θα επιτρέψει χαμηλότερο κόστος και ταχύτερα χρονοδιαγράμματα για την κατασκευή συσκευών μαγνητικού περιορισμού, καθώς και πιο ευνοϊκά οικονομικά για σταθμούς παραγωγής ενέργειας σύντηξης», εξηγεί ο Hartwig.
«Ίσως το πιο σημαντικό, η μειωμένη κλίμακα επιτρέπει μια κρίσιμη μετάβαση στην ενέργεια σύντηξης: μετάβαση από πολυεθνικά, χρηματοδοτούμενα από την κυβέρνηση επιστημονικά προγράμματα σε ιδιωτικά χρηματοδοτούμενες εταιρείες που βασίζονται στην αποστολή, εστιασμένες στην εμπορευματοποίηση μιας βιώσιμης νέας πηγής ενέργειας μηδενικού άνθρακα», προσθέτει. .
Με βάση τα πολλά υποσχόμενα ευρήματά τους, οι ομάδες PSFC και CFS ελπίζουν τώρα η ανάλυσή τους να χρησιμεύσει ως πολύτιμος οδηγός για μελλοντική έρευνα σύντηξης: ίσως φέρνοντας έναν από τους πιο πολυαναμενόμενους στόχους στη φυσική ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/
