米国で行われた広範な研究により、希土類バリウム銅酸化物 (REBCO) 高温超伝導体で作られた磁石が、将来の核融合実験でプラズマを閉じ込めるのに理想的であることが確認されました。研究チームは、この磁石が堅牢かつコンパクトであり、将来のトカマクの実用的な選択肢となることを示した。 SPARC、コモンウェルス フュージョン システムズ (CFS) と MIT のプラズマ サイエンス フュージョン センター (PSFC) によって開発されています。

この研究は、磁石を研究するための新しい診断機器を開発したCFSとPSFCの研究者によって行われました。

トカマク核融合炉は、非常に強い磁場を使用して、ドーナツ型の内部に水素プラズマを閉じ込めます。これにより、プラズマが非常に高温に加熱され、水素原子核が融合し、大量のエネルギーが放出されます。トカマク研究の最終目標は、投入されるよりもはるかに多くのエネルギーを核融合プラズマから取り出し、それによって比較的クリーンなエネルギー源を作り出すことです。

これらの磁場は電磁石によって生成され、既存のトカマクでは、磁場は従来の導体 (銅) または低温超伝導体で作られたワイヤを使用して巻かれています。どちらのアプローチにも利点と限界があるため、核融合研究者は他の磁石の選択肢の探索に熱心に取り組んでいます。特に、既存の磁石技術のほとんどは、より高い磁場レベルを必要とする次世代デバイスで使用するには大きすぎ、高価すぎます。

限られたフィールド

「消費電力が非常に低い超電導磁石が、十分な規模で核融合装置に組み込まれるようになりました。」と彼は説明します。 ザック・ハートウィッグ MITの彼が新しい分析を主導した。 「しかし、それらはすべて、約5テスラの閉じ込め磁場強度に制限された超伝導体を使用していました。」これらのフィールドに閉じ込められていても、プラズマは徐々に漏れ出ます。

2018 年から 2021 年にかけて、PSFC と CFS の研究者の共同研究により、閉じ込め磁場を強化する目的で REBCO 磁石が開発されました。その材料の性能は非常に有望でした。

「REBCO は非常に高い磁場を生成することができ、最大 20 K の温度で非常に高い電流密度を流すこともできます」とハートウィッグ氏は説明します。 「これは、超電導磁石の優れたエンジニアリングと性能につながります。」

今回、Hartwigらは、MITの専用試験施設を使用した、超電導磁石としてのREBCOの性能に関する一連の包括的な試験の結果を報告した。

ほぼ2倍

2021年20月に実施された実験を通じて、この材料はXNUMXテスラを超えるピーク磁場を実証しました。これは、同様の用途の他の超電導磁石で以前に達成された最高磁場のほぼXNUMX倍です。

それ以来、研究者らは REBCO 磁石の動作を分析しながら、その性能を極限まで高めるさらなるテストを実施してきました。

チームは現在、その発見を一連の論文で発表しています。 応用超電導に関するIEEEトランザクション。これらは、磁石のすべてのコンポーネントと、それらが高磁場でどのように機能するかについての詳細な説明を提供します。 Hartwig 氏のチームは現在、REBCO がその意図された目的によく適していると確信しています。

「膨大な電気機械的負荷にもかかわらず、磁石の電気的、熱的、構造的性能は、定常状態動作では設計通りに正確に動作しました」とハートウィッグ氏は言います。 「これにより、プログラムで開発された高度な計算モデリングが検証され、高磁場超電導磁石が核融合エネルギーとして実行可能であることが実験的に確認されました」と彼は付け加えた。

はるかに小さいボリューム

重要なことに、この実験は、REBCO が以前の核融合装置よりも約 12 ～ 30 倍小さい体積内にプラズマを閉じ込めるのに適した 40 T の磁場を維持できることを実証しました。

「REBCOによって可能になる大幅な規模の縮小により、磁気閉じ込め装置の製造コストの削減とスケジュールの短縮が可能になるだけでなく、核融合エネルギー発電所の経済性もより有利になります」とハートウィッグ氏は説明する。

「おそらく最も重要なことは、規模の縮小によって核融合エネルギーの重要な移行が可能になるということです。つまり、多国籍の政府資金による科学プログラムから、実行可能な新しいゼロカーボンエネルギー源の商業化に焦点を当てた、民間資金によるミッション主導の企業への移行が可能になるのです。」と彼は付け加えた。 。

有望な発見に基づいて、PSFC チームと CFS チームは現在、その分析が将来の核融合研究の貴重なガイドとして役立つことを期待しています。おそらく、物理学で最も待望されている目標の 1 つが現実に一歩近づくことになるでしょう。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/