Дослідження показує, що високотемпературні надпровідники REBCO ідеально підходять для магнітів токамаків – Physics World

Велике дослідження, проведене в США, підтвердило, що магніти, виготовлені з рідкоземельних високотемпературних надпровідників на основі оксиду барію і міді (REBCO), ідеально підходять для утримання плазми в майбутніх експериментах з термоядерного синтезу. Команда показала, що магніти одночасно міцні та компактні, що робить їх практичним варіантом для майбутніх токамаків, таких як SPARC, який розробляється Commonwealth Fusion Systems (CFS) і Plasma Science Fusion Center MIT (PSFC).

Дослідження було проведено дослідниками з CFS і PSFC, які створили нові діагностичні інструменти для вивчення магнітів.

Термоядерний реактор токамак використовує дуже сильні магнітні поля, щоб утримувати водневу плазму всередині свого пончика. Це дозволяє нагріти плазму до дуже високих температур, щоб ядра водню злилися разом, вивільняючи велику кількість енергії. Кінцева мета дослідження токамаків полягає в тому, щоб отримати набагато більше енергії з термоядерної плазми, ніж вводиться, створюючи таким чином відносно чисте джерело енергії.

Ці магнітні поля створюються електромагнітами, а в існуючих токамаках вони намотуються за допомогою дротів із звичайного провідника (міді) або низькотемпературного надпровідника. Обидва підходи мають переваги та обмеження, тому дослідники термоядерного синтезу зацікавлені в дослідженні інших варіантів магнітів. Зокрема, більшість існуючих магнітних технологій були б занадто великими та занадто дорогими для використання в пристроях наступного покоління, які вимагатимуть вищих рівнів поля.

Обмежені поля

«Надпровідні магніти з дуже низьким енергоспоживанням тепер інтегровані в термоядерні пристрої в достатньому масштабі», — пояснює Зак Хартвіг в MIT, який очолював новий аналіз. «Однак усі вони використовували надпровідники, які були обмежені напруженістю магнітного поля приблизно 5 Тл». Навіть при обмеженні цими полями плазма поступово витікає.

Між 2018 і 2021 роками дослідники з PSFC і CFS розробили магніти REBCO з метою посилення обмежувальних полів – і продуктивність матеріалу була багатообіцяючою.

«REBCO здатний виробляти надзвичайно сильні магнітні поля, а також може переносити дуже високу щільність електричного струму при температурах до 20 K», — пояснює Хартвіг. «Це призводить до кращих технологій і продуктивності надпровідних магнітів».

Тепер Хартвіг і його колеги повідомляють про результати комплексних випробувань ефективності REBCO як надпровідного магніту з використанням спеціально створених випробувальних установок в MIT.

Майже вдвічі

Під час експериментів, проведених у вересні 2021 року, матеріал продемонстрував пікове магнітне поле понад 20 Тл. Це майже вдвічі перевищує найвищі поля, досягнуті раніше в інших надпровідних магнітах для аналогічних застосувань.

Відтоді дослідники провели додаткові випробування, які підштовхнули магніт REBCO до крайніх меж його продуктивності, одночасно аналізуючи його роботу.

Тепер команда представляє свої висновки в серії документів Транзакції IEEE з прикладної надпровідності. Вони надають детальний опис усіх компонентів магніту та їхньої роботи при сильних полях. Команда Хартвіга тепер впевнена, що REBCO добре підходить для своєї мети.

«Незважаючи на величезні електромеханічні навантаження, електричні, термічні та структурні характеристики магніту вели себе точно так, як було задумано в стаціонарному режимі», — говорить Хартвіг. «Це підтвердило вдосконалене обчислювальне моделювання, розроблене в рамках програми, і експериментально підтвердило, що надпровідні магніти з високим полем є життєздатними для термоядерної енергії», – додає він.

Набагато менший обсяг

Важливо те, що експерименти продемонстрували, що REBCO здатний підтримувати поле 12 Тл, придатне для утримання плазми в об’ємі приблизно в 30-40 разів меншому, ніж попередні термоядерні пристрої.

«Значне зменшення масштабу завдяки REBCO дозволить знизити витрати та пришвидшити графіки створення пристроїв магнітного утримання, а також сприятливіші економічні показники для електростанцій, що працюють на термоядерній енергії», — пояснює Хартвіг.

«Мабуть, найважливіше те, що зменшений масштаб уможливлює критичний перехід у термоядерну енергетику: перехід від багатонаціональних наукових програм, що фінансуються державою, до приватно фінансованих, орієнтованих на місію компаній, зосереджених на комерціалізації нового життєздатного джерела енергії з нульовим вмістом вуглецю», – додає він. .

Грунтуючись на своїх багатообіцяючих висновках, команди PSFC і CFS сподіваються, що їхній аналіз послужить цінним посібником для майбутніх досліджень термоядерного синтезу: можливо, наблизить одну з найбільш довгоочікуваних цілей у фізиці до реальності.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/