Permanente magneter stærkere end dem på køleskabet kunne være en løsning til at levere fusionsenergi

Permanente magneter, der ligner dem, der bruges på køleskabe, kunne fremskynde udviklingen af ​​fusionsenergi - den samme energi produceret af solen og stjernerne.

I princippet, sådanne magneter kan i høj grad forenkle designet og produktionen af ​​snoede fusionsfaciliteter kaldet stellaratorer, ifølge videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og Max Planck Institute for Plasma Physics i Greifswald, Tyskland. PPPL-grundlæggeren Lyman Spitzer Jr. opfandt stellaratoren i begyndelsen af ​​1950'erne.

De fleste stellaratorer bruger et sæt komplekse snoede spoler, der spiraler som striber på en slikstang til at producere magnetiske felter, der former og styrer plasmaet, der fremkalder fusionsreaktioner. Køleskabslignende permanente magneter kunne producere den hårde del af disse essentielle felter, siger forskerne, tillader enkle, ikke-snoede spoler for at producere den resterende del i stedet for de komplekse spoler.

Twisted coils dyreste

"De snoede spoler er den dyreste og mest komplicerede del af stellaratoren og skal fremstilles med meget stor præcision i en meget kompliceret form, sagde fysiker Per Helander, leder af Stellarator Theory Division hos Max Planck og hovedforfatter på et papir, der beskriver forskningen i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ). "Vi forsøger at lette kravene til spolerne ved at bruge permanente magneter."

Forenkling af stjerner, som kører uden risiko for skadelige forstyrrelser, som mere udbredte tokamak-fusionsenheder står over for, kan have stor appel. "Jeg er ekstremt begejstret for brugen af ​​permanente magneter til at forme plasmaet i stjerner, "sagde Steve Cowley, PPPL-direktør og medforfatter til papiret. "Det fører til meget enklere ingeniørdesign."

Fusion, kraften, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere over hele verden bruger tokamaks, stjerner, og andre faciliteter i bestræbelserne på at skabe og kontrollere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Den nye idé til permanente magneter er en udløber af et science fair-projekt, som Jonathan Zarnstorff, søn af PPPL-chefforsker Michael Zarnstorff, en medforfatter af papiret, sat sammen i ungdomsskolen. Jonathan ville bygge en skinnepistol, en enhed, der normalt bruger højspændingsstrøm til at generere et magnetfelt, der kan affyre et projektil. Men højspændingsstrømmen ville være farlig at bruge i et klasseværelse.

Far og søn løsning

Løsningen som far og søn nåede frem til var at bruge neodym, eller sjældne jordarter, permanente magneter til sikkert at producere magnetfeltet. Sjældne jordarters magneter har overraskende og nyttige egenskaber. De genererer ganske kraftfulde felter til magneternes lille størrelse, og det er "hårde" felter, der næsten ikke er påvirket af andre felter i nærheden. Disse magneter kunne således give det, fysikere kalder den "poloidale" del af et spiralformet stellaratorfelt, mens simple runde spoler kunne give den "toroidale" del, der udgør resten af ​​feltet. "Jeg havde tænkt over det gennem årene, men havde ikke tid til at udvikle ideen, " sagde Zarnstorff. Begrebet kom endelig til virkelighed under diskussioner med Cowley og fysiker Cary Forest fra University of Wisconsin-Madison.

Permanente magneter er altid "tændt" i skarp kontrast til de standard elektromagnetiske spoler, som stellaratorer og tokamaks bruger. Sådanne spoler skaber magnetiske felter, når en elektrisk strøm løber gennem dem - strøm, der kræver strømforsyninger, som permanente magneter ikke har brug for. Andre fordele ved brugen af ​​permanente magneter til at forenkle stjernespoler inkluderer:

• Lavere pris end håndlavede elektromagneter;
• Oprettelse af rigelig plads mellem de forenklede spoler for at lette vedligeholdelsen;
• Evne til at omplacere magneterne for at skabe en række forskellige former for magnetfelterne;
• Reducerede ingeniør- og fremstillingsrisici.

Permanente magneter har ulemper, også. "Du kan ikke slukke dem, " sagde Helander, hvilket betyder, at de kan trække alt ind, de kan tiltrække inden for rækkevidde. De producerer også begrænset maksimal feltstyrke, han sagde. Ikke desto mindre, sådanne magneter "kan være gode til at skabe eksperimenter på vej til en reaktor, " han tilføjede, "og stærkere permanente magneter kan blive tilgængelige."

Nyt sæt værktøjer

For Zarnstorff, permanente magneter er "en strategi og et nyt sæt værktøjer, og vi er nødt til at finde ud af, hvordan vi bruger dem." Han planlægger nu flere anvendelser. Først kommer konstruktionen af ​​en bordplade-stellarator med permanente magneter installeret. Længere fremme håber han, at PPPL kan producere verdens første simple optimerede stellarator, en designet til at opfylde specifikke præstationsmål. Denne facilitet kan opgraderes for at øge sin feltstyrke, som forberedelse til fortsat udvikling af den forenklede maskine. Til sidst, en stellarator inklusive permanente magneter kan producere energi til at generere elektricitet til hele menneskeheden.