Обширное исследование, проведенное в США, подтвердило, что магниты, изготовленные из редкоземельных высокотемпературных сверхпроводников на основе оксида бария и меди (REBCO), идеально подходят для удержания плазмы в будущих экспериментах по термоядерному синтезу. Команда показала, что магниты прочные и компактные, что делает их практичным вариантом для будущих токамаков, таких как SPARC, который разрабатывается Commonwealth Fusion Systems (CFS) и Центром научного синтеза плазмы Массачусетского технологического института (PSFC).
Исследование провели исследователи из CFS и PSFC, которые создали новые диагностические инструменты для изучения магнитов.
Термоядерный реактор токамак использует очень сильные магнитные поля для удержания водородной плазмы внутри своей внутренней части в форме пончика. Это позволяет нагреть плазму до очень высоких температур, так что ядра водорода сливаются вместе, выделяя большое количество энергии. Конечная цель исследований токамака — получить из плавящейся плазмы гораздо больше энергии, чем затрачивается, создавая таким образом относительно чистый источник энергии.
Эти магнитные поля создаются электромагнитами, а в существующих токамаках они наматываются проводами из обычного проводника (меди) или низкотемпературного сверхпроводника. Оба подхода имеют свои преимущества и ограничения, поэтому исследователи термоядерного синтеза заинтересованы в изучении других вариантов магнитов. В частности, большинство существующих магнитных технологий будут слишком большими и дорогими для использования в устройствах следующего поколения, которым потребуются более высокие уровни поля.
Ограниченные поля
«Сверхпроводящие магниты с очень низким энергопотреблением теперь интегрированы в термоядерные устройства в достаточных масштабах», — объясняет Зак Хартвиг в Массачусетском технологическом институте, который провел новый анализ. «Однако все они использовали сверхпроводники, сила удерживающего магнитного поля которых была ограничена примерно 5 Тл». Даже находясь в этих полях, плазма будет постепенно вытекать.
В период с 2018 по 2021 год совместная работа исследователей PSFC и CFS разработала магниты REBCO с целью усиления удерживающих полей – и характеристики материала были очень многообещающими.
«REBCO способен создавать чрезвычайно сильные магнитные поля, а также может выдерживать очень высокие плотности электрического тока при температурах до 20 К», — объясняет Хартвиг. «Это приводит к превосходным разработкам и производительности сверхпроводящих магнитов».
Теперь Хартвиг и его коллеги сообщают о результатах комплексных испытаний характеристик REBCO в качестве сверхпроводящего магнита, проведенных с использованием специально построенного испытательного оборудования в Массачусетском технологическом институте.
Почти вдвое
В ходе экспериментов, проведенных в сентябре 2021 года, материал продемонстрировал пиковое магнитное поле более 20 Тл. Это почти вдвое превышает самые высокие поля, достигнутые ранее в других сверхпроводящих магнитах для аналогичных применений.
С тех пор исследователи провели дальнейшие испытания, которые довели магнит REBCO до крайних пределов его производительности, одновременно анализируя его работу.
Теперь команда представляет свои выводы в серии статей в Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости. В них содержится подробное описание всех компонентов магнита и их работы в сильных полях. Теперь команда Хартвига уверена, что REBCO хорошо подходит для своей цели.
«Несмотря на огромные электромеханические нагрузки, электрические, тепловые и структурные характеристики магнита в установившемся режиме работы вели себя точно так, как было задумано», — говорит Хартвиг. «Это подтвердило передовое компьютерное моделирование, разработанное в рамках программы, и экспериментально подтвердило, что сверхпроводящие магниты с сильным полем пригодны для получения энергии термоядерного синтеза», — добавляет он.
Гораздо меньший объём
Важно отметить, что эксперименты продемонстрировали, что REBCO способен поддерживать поле напряженностью 12 Тл, подходящее для удержания плазмы в объеме, примерно в 30–40 раз меньшем, чем предыдущие термоядерные устройства.
«Значительное сокращение масштабов, обеспечиваемое REBCO, позволит снизить затраты и сократить сроки создания устройств магнитного удержания, а также более благоприятную экономику для термоядерных электростанций», — объясняет Хартвиг.
«Возможно, самое главное, что уменьшенный масштаб обеспечивает критический переход к термоядерной энергетике: переход от многонациональных, финансируемых правительством научных программ к частным финансируемым, целеустремленным компаниям, сосредоточенным на коммерциализации нового жизнеспособного источника энергии с нулевым выбросом углерода», - добавляет он. .
Основываясь на своих многообещающих выводах, команды PSFC и CFS теперь надеются, что их анализ послужит ценным руководством для будущих исследований в области термоядерного синтеза: возможно, они сделают одну из самых долгожданных целей в физике на шаг ближе к реальности.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/
