Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een manier gevonden om krachtige magneten te bouwen die kleiner zijn dan voorheen, wat helpt bij het ontwerp en de constructie van machines die de wereld kunnen helpen de kracht van de zon te benutten om elektriciteit op te wekken zonder broeikasgassen te produceren die bijdragen aan klimaatverandering.

De wetenschappers hebben een manier gevonden om supergeleidende magneten voor hoge temperaturen te bouwen die zijn gemaakt van materiaal dat elektriciteit geleidt met weinig of geen weerstand bij temperaturen die warmer zijn dan voorheen. Dergelijke krachtige magneten zouden gemakkelijker passen in de krappe ruimte in bolvormige tokamaks, die meer de vorm hebben van een appel zonder klokhuis dan de donutachtige vorm van conventionele tokamaks, en worden onderzocht als een mogelijk ontwerp voor toekomstige fusiecentrales.

Omdat de magneten apart van andere machines in de centrale holte van de sferische tokamak kunnen worden geplaatst om het hete plasma dat fusiereacties voedt, bijeen te drijven, konden onderzoekers ze repareren zonder iets anders uit elkaar te hoeven halen.

"Hiervoor heb je een magneet nodig met een sterker magnetisch veld en een kleinere afmeting dan de huidige magneten", zegt Yuhu Zhai, hoofdingenieur bij PPPL en hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in IEEE Transactions on Applied Superconductivity . "Dat doe je alleen met supergeleidende draden, en dat hebben we gedaan."

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen kernfusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

Supergeleidende magneten voor hoge temperaturen hebben verschillende voordelen ten opzichte van koperen magneten. Ze kunnen langer worden ingeschakeld dan koperen magneten, omdat ze niet zo snel opwarmen, waardoor ze beter geschikt zijn voor gebruik in toekomstige fusiecentrales die maandenlang zullen moeten draaien. Supergeleidende draden zijn ook krachtig en kunnen dezelfde hoeveelheid elektrische stroom overbrengen als een koperdraad, vele malen breder, terwijl ze een sterker magnetisch veld produceren.

De magneten kunnen wetenschappers ook helpen de grootte van tokamaks te verkleinen, de prestaties te verbeteren en de bouwkosten te verlagen. "Tokamaks zijn gevoelig voor de omstandigheden in hun centrale regio's, inclusief de grootte van de centrale magneet of solenoïde, de afscherming en het vacuümvat", zegt Jon Menard, adjunct-directeur voor onderzoek van PPPL. "Veel hangt af van het centrum. Dus als je dingen in het midden kunt verkleinen, kun je de hele machine verkleinen en de kosten verlagen, terwijl je in theorie de prestaties verbetert."

Deze nieuwe magneten maken gebruik van een techniek die is verfijnd door Zhai en onderzoekers van Advanced Conductor Technologies, de University of Colorado, Boulder, en het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. De techniek betekent dat de draden geen conventionele epoxy- en glasvezelisolatie nodig hebben om de stroom van elektriciteit te garanderen. De techniek vereenvoudigt de constructie, maar verlaagt ook de kosten. "De kosten om de spoelen op te winden zijn veel lager omdat we niet het dure en foutgevoelige epoxyvacuümimpregnatieproces hoeven te doorlopen," zei Zhai. "In plaats daarvan wikkel je de geleider rechtstreeks in de spoelvorm."

Bovendien "kunnen supergeleidende magneten bij hoge temperaturen helpen bij het sferische tokamak-ontwerp, omdat de hogere stroomdichtheid en kleinere wikkelingen meer ruimte bieden voor een ondersteuningsstructuur die het apparaat helpt de hoge magnetische velden te weerstaan, waardoor de bedrijfsomstandigheden worden verbeterd", zegt Thomas Brown, een PPPL-ingenieur die bijgedragen aan het onderzoek. "Bovendien geven de kleinere, krachtigere magneten de machine-ontwerper meer mogelijkheden om een ​​sferische tokamak te ontwerpen met een geometrie die de algehele tokamak-prestaties zou kunnen verbeteren. We zijn er nog niet helemaal, maar we zijn dichterbij, en misschien dichtbij genoeg." + Verder verkennen

Innovatieve nieuwe magneet kan de ontwikkeling van fusie- en medische apparaten vergemakkelijken