Mindre, stærkere magneter kan forbedre enheder, der udnytter fusionskraften fra solen og stjernerne

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet en måde at bygge kraftige magneter, der er mindre end før, og som hjælper med design og konstruktion af maskiner, der kan hjælpe verden med at udnytte solens kraft til at skabe elektricitet uden at producere drivhusgasser, der bidrager til klimaforandringerne.

Forskerne fandt en måde at bygge højtemperatur superledende magneter, der er lavet af materiale, der leder elektricitet med ringe eller ingen modstand ved temperaturer varmere end før. Sådanne kraftige magneter ville lettere passe ind i det trange rum inde i sfæriske tokamaks, som er formet mere som et æble med kerne end den doughnut-lignende form af konventionelle tokamaks, og er ved at blive udforsket som et muligt design for fremtidige fusionskraftværker.

Da magneterne kunne placeres adskilt fra andre maskiner i den sfæriske tokamaks centrale hulrum for at inddæmme det varme plasma, der giver næring til fusionsreaktioner, kunne forskere reparere dem uden at skulle skille noget andet ad.

"For at gøre dette har du brug for en magnet med et stærkere magnetfelt og en mindre størrelse end nuværende magneter," sagde Yuhu Zhai, en ledende ingeniør hos PPPL og hovedforfatter på et papir, der rapporterer resultaterne i IEEE Transactions on Applied Superconductivity . "Den eneste måde du gør det på er med superledende ledninger, og det er det, vi har gjort."

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof bestående af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at replikere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Højtemperatur superledende magneter har flere fordele i forhold til kobbermagneter. De kan tændes i længere perioder, end kobbermagneter kan, fordi de ikke opvarmes så hurtigt, hvilket gør dem bedre egnede til brug i fremtidige fusionskraftværker, der skal køre i flere måneder ad gangen. Superledende ledninger er også kraftige, i stand til at transmittere den samme mængde elektrisk strøm som en kobbertråd mange gange bredere, mens de producerer et stærkere magnetfelt.

Magneterne kan også hjælpe forskere med at fortsætte med at skrumpe størrelsen af ​​tokamaks, forbedre ydeevnen og reducere byggeomkostningerne. "Tokamaks er følsomme over for forholdene i deres centrale områder, herunder størrelsen af ​​den centrale magnet eller solenoiden, afskærmningen og vakuumbeholderen," sagde Jon Menard, PPPLs vicedirektør for forskning. "Meget afhænger af centret. Så hvis du kan krympe tingene på midten, kan du krympe hele maskinen og reducere omkostningerne, mens du i teorien forbedrer ydeevnen."

Disse nye magneter drager fordel af en teknik raffineret af Zhai og forskere ved Advanced Conductor Technologies, University of Colorado, Boulder og National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. Teknikken betyder, at ledningerne ikke behøver konventionel epoxy- og glasfiberisolering for at sikre strømgennemstrømningen. Samtidig med at den forenkler konstruktionen, sænker teknikken også omkostningerne. "Omkostningerne til at vikle spolerne er meget lavere, fordi vi ikke skal igennem den dyre og fejlbehæftede epoxy vakuum-imprægneringsproces," sagde Zhai. "I stedet vikler du lederen direkte ind i spoleformen."

Desuden kan "højtemperatur-superledende magneter hjælpe sfærisk tokamak-design, fordi den højere strømtæthed og mindre viklinger giver mere plads til støttestruktur, der hjælper enheden med at modstå de høje magnetiske felter, hvilket forbedrer driftsbetingelserne," sagde Thomas Brown, en PPPL-ingeniør, der bidraget til forskningen. "De mindre, kraftigere magneter giver også maskindesigneren flere muligheder for at designe en sfærisk tokamak med geometri, der kunne forbedre den samlede tokamak-ydeevne. Vi er ikke helt der endnu, men vi er tættere på, og måske tæt nok på." + Udforsk yderligere

Innovativ ny magnet kunne lette udviklingen af ​​fusion og medicinsk udstyr