미국에서 수행된 광범위한 연구에 따르면 REBCO(희토류 바륨 구리 산화물) 고온 초전도체로 만든 자석이 향후 핵융합 실험에서 플라즈마를 가두는 데 이상적이라는 것이 확인되었습니다. 팀은 자석이 견고하고 콤팩트하여 다음과 같은 미래의 토카막에 실용적인 옵션이 될 수 있음을 보여주었습니다. SPARC는 Commonwealth Fusion Systems(CFS)와 MIT의 Plasma Science Fusion Center(PSFC)가 개발하고 있습니다.

이 연구는 자석 연구를 위한 새로운 진단 장비를 개발한 CFS 및 PSFC 연구원들에 의해 수행되었습니다.

토카막 핵융합로는 매우 강한 자기장을 사용하여 도넛 모양의 내부에 수소 플라즈마를 가두어 둡니다. 이를 통해 플라즈마가 매우 높은 온도로 가열되어 수소 핵이 서로 융합되어 많은 양의 에너지가 방출됩니다. 토카막 연구의 궁극적인 목표는 융합 플라즈마에서 투입되는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 얻어 상대적으로 깨끗한 에너지원을 만드는 것입니다.

이러한 자기장은 전자석에 의해 생성되며 기존 토카막에서는 기존 도체(구리) 또는 저온 초전도체로 만든 와이어를 사용하여 감겨 있습니다. 두 가지 접근 방식 모두 장점과 한계가 있으므로 융합 연구자들은 다른 자석 옵션을 탐색하는 데 열중하고 있습니다. 특히 대부분의 기존 자석 기술은 더 높은 자기장 수준이 필요한 차세대 장치에 사용하기에는 너무 크고 비용이 많이 듭니다.

제한된 분야

"전력 소비가 매우 낮은 초전도 자석이 이제 충분한 규모의 핵융합 장치에 통합되었습니다."라고 설명합니다. 잭 하트윅 새로운 분석을 주도한 MIT에서. "그러나 그들은 모두 약 5T의 자기장 강도를 제한하는 초전도체를 사용했습니다." 이러한 필드에 갇혀 있어도 플라즈마는 점차적으로 누출됩니다.

2018년부터 2021년 사이에 PSFC와 CFS 연구원들의 협력을 통해 가두는 자기장을 강화할 목적으로 REBCO 자석을 개발했으며 재료의 성능은 매우 유망했습니다.

“REBCO는 매우 높은 자기장을 생성할 수 있으며 최대 20K의 온도에서 매우 높은 전류 밀도를 전달할 수도 있습니다.”라고 Hartwig는 설명합니다. "이것은 초전도 자석의 우수한 엔지니어링 및 성능으로 이어집니다."

이제 Hartwig와 동료들은 MIT의 특수 목적 테스트 시설을 사용하여 초전도 자석으로서의 REBCO 성능에 대한 포괄적인 테스트 배터리 결과를 보고합니다.

거의 두 배

2021년 20월에 수행된 실험을 통해 이 재료는 XNUMXT가 넘는 최대 자기장을 보여주었습니다. 이는 유사한 응용 분야에서 다른 초전도 자석에서 이전에 달성한 가장 높은 자기장보다 거의 두 배에 달하는 수치입니다.

그 이후로 연구원들은 REBCO 자석의 작동을 분석하면서 성능의 극한 한계까지 밀어붙이는 추가 테스트를 수행했습니다.

팀은 이제 연구 결과를 일련의 논문으로 발표합니다. 응용 초전도성에 관한 IEEE 거래. 이는 자석의 모든 구성 요소와 높은 자기장에서의 성능에 대한 심층적인 설명을 제공합니다. Hartwig 팀은 이제 REBCO가 의도한 목적에 매우 적합하다고 확신합니다.

Hartwig는 “엄청난 전기기계적 부하에도 불구하고 자석의 전기적, 열적, 구조적 성능은 정상 상태 작동에서 설계된 대로 정확하게 작동했습니다.”라고 말합니다. "이것은 프로그램에서 개발된 고급 계산 모델링을 검증했으며 고전계 초전도 자석이 핵융합 에너지에 실행 가능하다는 것을 실험적으로 확인했습니다."라고 그는 덧붙였습니다.

훨씬 작은 볼륨

결정적으로, 실험은 REBCO가 이전 핵융합 장치보다 약 12~30배 작은 부피 내에서 플라즈마 감금에 적합한 40T 필드를 유지할 수 있음을 입증했습니다.

“REBCO를 통해 규모가 크게 감소하면 자기 감금 장치를 구축하는 데 드는 비용과 일정이 빨라질 뿐만 아니라 핵융합 에너지 발전소의 경제성도 향상될 것입니다.”라고 Hartwig는 설명합니다.

"아마도 가장 중요한 것은 축소된 규모가 핵융합 에너지의 중요한 전환을 가능하게 한다는 것입니다. 즉, 다국적 정부 지원 과학 프로그램에서 실행 가능한 새로운 제로 탄소 에너지원 상용화에 초점을 맞춘 민간 자금 지원 임무 중심 기업으로 전환하는 것입니다."라고 그는 덧붙입니다. .

PSFC와 CFS 팀은 유망한 발견을 바탕으로 이제 그들의 분석이 미래 융합 연구를 위한 귀중한 지침이 되기를 바라고 있습니다. 아마도 물리학에서 가장 오랫동안 기다려온 목표 중 하나를 현실에 한 걸음 더 가까이 다가갈 수 있을 것입니다.

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