Forhindrer magnetnedsmeltning, før de kan starte

Partikelacceleratorerne, der muliggør højenergifysik og tjener mange videnskabsområder, såsom materiale-, medicin- og fusionsforskning, er drevet af superledende magneter, der for at sige det enkelt er ret kræsne.

Superledere er en særlig klasse af materialer, der, når de afkøles under en bestemt temperatur, fører store elektriske strømme uden modstand. Hvis du arrangerer materialet i spoler, vil strømmen, der passerer igennem, producere stærke magnetiske felter, der effektivt lagrer den potentielle energi af de bevægelige elektroner i form af et magnetfelt.

Men hvis de bliver for varme - og med varme, mener vi kun et par grader over -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin) eller temperaturen på flydende helium - de kan pludselig genvinde deres elektriske modstand og sprede energien fra magnetfeltet i et hurtigt varmeudbrud.

En nyere type superleder, kendt som højtemperatur-superledere (HTS), er klar til at indlede endnu en revolution for videnskab og teknologi. Disse superledere har potentialet til at producere endnu højere magnetiske felter, mens de arbejder ved temperaturer, der er nemmere at vedligeholde end traditionelle superledende magneter.

I de nye HTS-materialer er disse uønskede opvarmningshændelser, kendt som "quenches", særligt dyre, da de kan ødelægge magneten, beskadige komponenter i nærheden og udtømme betydelige mængder af de dyrebare flydende kølemidler, der bruges til at afkøle magneten. På grund af deres stærke egenskaber er disse magneter et varmt emne for forskning og udvikling i øjeblikket, men beskyttelsen af ​​dem mod destruktive begivenheder er en stor hindring for deres brede anvendelse.

Den bedste løsning ville være at designe HTS-magneter, der ikke slukker i første omgang.

Det er, hvad forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) arbejder på.

Maxim Marchevsky og Søren Prestemon fra Accelerator Technology &Applied Physics (ATAP) Division har udviklet en strategi til at identificere forhold, under hvilke HTS-magneter sikkert kan fungere uden risiko for en pludselig varmeopbygning, der får magneten til at svigte.

"Dette er lidt beslægtet med at designe et fly for at muliggøre sikker landing i tilfælde af motorfejl, i modsætning til at designe flyet til at overleve et styrt," sagde Prestemon, der er vicedirektør for teknologi for ATAP-divisionen. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Superconductor Science and Technology .

Fordi HTS-magneter kan tolerere højere tæthed af den elektriske strøm og et bredere temperaturområde, mens de stadig fungerer som en superleder, er de mindre tilbøjelige til at slukke end deres modstykker ved lav temperatur. Det er dog sværere at detektere en modkørende quench i HTS-magneter, fordi de superledende egenskaber slukker i meget små lommer af materialet.

Det betyder, at spolens enorme magnetiske energi omdannes til varme over et lille område, hvilket får temperaturen til at stige til ekstremer på det sted hurtigt.

Et sådant tab i superledningsevne er typisk forårsaget af, at strømmen overstiger superlederens kapacitet, for eksempel på grund af ufuldkommenheder i materialets struktur eller af øget varme forårsaget af enten en fejl i kølesystemet eller en påvirkning af magneten ved vildfarende hurtig bevægelse. partikler fra acceleratoren eller fusionsreaktoren. Uanset hvad, er den resulterende quench sværere at overvåge og kan nå point of no return hurtigere end eksisterende afbødningssystemer kan aktiveres.

Heldigvis har flere årtiers HTS-forskning og -udvikling afsløret, at disse materialer kan tolerere mindre opbygning af varme, men forbliver i superledertilstand. Ved at bruge denne viden indså Marchevsky og Prestemon, at de kunne beregne et vindue af operationelle parametre, hvori HTS-lederen vil arbejde uden nogensinde at gå ud af kontrol til en quench.

"På grund af det kan vi faktisk løse problemet anderledes. Vi kan lede efter et tegn på varme et sted i magneten, og hvis vi opdager det tidligt nok, kan vi trygt køre ned for strømmen uden egentlig at slukke magneten," sagde Marchevsky , en stabsfysiker i ATAP.

Forskernes teoretiske arbejde blev valideret med eksperimenter med tapeformede prøver af Bi-2223 HTS-materiale (en forbindelse af vismut, strontium, calcium, kobber og oxygen), der blev forsynet med høj strøm i et miljø, hvor små temperatursvingninger kunne være opdaget og sammenlignet med de numeriske forudsigelser.

Det næste trin vil være at teste deres tilgang på faktiske spoler viklet med HTS-ledermateriale for at kopiere den form, de ville have inde i partikelacceleratorer og enheder som MRI-maskiner.

For at kunne detektere præ-quench-tilstanden i disse spoler planlægger forskerne at bruge meget følsomme temperaturovervågningssystemer udviklet af dem selv og deres kolleger i ATAP, en gruppe med dyb ekspertise inden for grundlæggende og anvendt acceleratormagnetvidenskab.

"Der vil være nogle udfordringer, fordi vi skal have distribueret måling af temperatur, men det er noget, vi har arbejdet ret meget på i de sidste mange år," sagde Marchevsky. Han bemærkede, at traditionelle quench-detektionssystemer til lavtemperaturmagneter overvåger modstand på tværs af magneten, hvilket ikke fungerer godt for HTS-magneter. "Forskellige nye teknikker bliver undersøgt og indlejret i vores rigtige prototypemagneter."

Deres teknikker omfatter ultralydsbaserede, radiofrekvensbaserede og fiberoptiske sensorsystemer. Sidstnævnte tilgang er den primære kandidat til brug i eksperimentelle plasmafusionsenergireaktorer, som er en af ​​de første virkelige anvendelser af HTS-magneter i horisonten. Plasmafusionsreaktorer har brug for kraftige magneter til at indeslutte blandinger af overophedede ladede partikler i et lille rum, og HTS-magneter ser lovende ud til at muliggøre et gennembrud på dette område.

Marchevsky og Prestemon håber, at distribuerede temperatursystemer, der overvåger hele magneten, vil være i stand til at advare operatører, hvis en region nærmer sig den øvre ende af det sikre temperaturvindue. Derefter kan den strøm, der leveres til magneten, reduceres og bratkøling undgås.

Hvis den lykkes, kan tilgangen muliggøre udbredt anvendelse af HTS-magneter, hvilket i sidste ende fører til meget højere magnetfelter og magnetsystemer, der er billigere at vedligeholde end deres modparter ved lav temperatur. Disse besparelser ville hjælpe med at sænke omkostningerne ved al acceleratordrevet forskning og hjælpe fusionsenergiens måneskudsmål.

"Den grundlæggende videnskab og præcisionsdiagnostik kombineret i dette arbejde eksemplificerer det enestående sæt af 'mesoscale to magnet'-kapaciteter, som Lab bringer til driften af ​​højtemperatur-superledere som transformative teknologier på tværs af acceleratorer, fusion og applikationer," sagde Cameron Geddes, ATAP Divisionsdirektør.

Flere oplysninger: M Marchevsky et al., Termisk løbsk kriterium som grundlag for beskyttelse af højtemperatursuperledermagneter, Superledervidenskab og teknologi (2024). DOI:10.1088/1361-6668/ad20fe

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory