Supergeleiders zijn een speciale klasse materialen die, wanneer ze tot onder een bepaalde temperatuur worden afgekoeld, zonder weerstand grote elektrische stromen kunnen transporteren. Als je het materiaal in spoelen rangschikt, zal de stroom die er doorheen gaat sterke magnetische velden produceren, waardoor de potentiële energie van de bewegende elektronen effectief wordt opgeslagen in de vorm van een magnetisch veld.

Maar als ze te heet worden, en met heet bedoelen we slechts een paar graden boven -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), of de temperatuur van vloeibaar helium, kunnen ze plotseling hun elektrische weerstand terugkrijgen en de energie van het magnetische veld verdrijven. in een snelle uitbarsting van hitte.

Een nieuwer type supergeleider, bekend als hogetemperatuursupergeleiders (HTS), staat klaar om een ​​nieuwe revolutie voor wetenschap en technologie in te luiden. Deze supergeleiders hebben het potentieel om nog hogere magnetische velden te produceren terwijl ze werken bij gemakkelijker te handhaven temperaturen dan traditionele supergeleidende magneten.

In de nieuwe HTS-materialen zijn deze ongewenste verhittingsgebeurtenissen, bekend als "quenches", bijzonder kostbaar, omdat ze de magneet kunnen vernietigen, nabijgelegen componenten kunnen beschadigen en aanzienlijke hoeveelheden kostbare vloeibare koelmiddelen kunnen uitputten die worden gebruikt om de magneet af te koelen. Vanwege hun krachtige eigenschappen zijn deze magneten momenteel een veelbesproken onderwerp in onderzoek en ontwikkeling, maar het beschermen ervan tegen destructieve gebeurtenissen is een grote hindernis voor hun brede toepassing.

De beste oplossing zou zijn om HTS-magneten te ontwerpen die überhaupt niet doven.

Dat is waar onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) aan werken.

Maxim Marchevsky en Soren Prestemon van de divisie Accelerator Technology &Applied Physics (ATAP) hebben een strategie ontwikkeld om omstandigheden te identificeren waaronder HTS-magneten veilig kunnen werken zonder het risico van een plotselinge hitteopbouw waardoor de magneet defect raakt.

"Dit lijkt enigszins op het ontwerpen van een vliegtuig dat een veilige landing mogelijk maakt in het geval van een motorstoring, in tegenstelling tot het ontwerpen van een vliegtuig om een ​​crash te overleven", zegt Prestemon, adjunct-directeur technologie van de ATAP-divisie. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Superconductor Science and Technology .

Omdat HTS-magneten een hogere dichtheid van de elektrische stroom en een groter temperatuurbereik kunnen verdragen terwijl ze nog steeds als supergeleider werken, zijn ze minder gevoelig voor uitdoving dan hun tegenhangers bij lage temperaturen. Het detecteren van een naderende afschrikking is echter moeilijker bij HTS-magneten, omdat de supergeleidende eigenschappen worden uitgeschakeld in zeer kleine deeltjes van het materiaal.

Dit betekent dat de enorme magnetische energie van de spoel over een klein oppervlak wordt omgezet in warmte, waardoor de temperatuur op die plek snel tot extreme hoogten stijgt.

Een dergelijk verlies aan supergeleiding wordt doorgaans veroorzaakt doordat de stroom de capaciteit van de supergeleider overschrijdt, bijvoorbeeld als gevolg van onvolkomenheden in de structuur van het materiaal of door verhoogde hitte veroorzaakt door een storing in het koelsysteem of een impact op de magneet door foutieve, snel bewegende deeltjes uit de versneller of fusiereactor. Hoe dan ook, de resulterende uitdoving is moeilijker te monitoren en kan sneller het punt bereiken waarop geen terugkeer meer mogelijk is dan bestaande mitigatiesystemen kunnen worden geactiveerd.

Gelukkig hebben tientallen jaren van HTS-onderzoek en -ontwikkeling aangetoond dat deze materialen een kleine ophoping van warmte kunnen verdragen, maar in de supergeleidermodus blijven. Met behulp van deze kennis realiseerden Marchevsky en Prestemon zich dat ze een venster met operationele parameters konden berekenen waarin de HTS-geleider kan werken zonder ooit uit de hand te lopen en in een blussing terecht te komen.

"Daarom kunnen we het probleem feitelijk anders aanpakken. We kunnen ergens in de magneet zoeken naar een teken van hitte, en als we dit vroeg genoeg detecteren, kunnen we de stroom veilig verlagen zonder de magneet daadwerkelijk uit te doven", aldus Marchevsky. , een staffysicus bij ATAP.

Het theoretische werk van de wetenschappers werd gevalideerd met experimenten met tapevormige monsters van Bi-2223 HTS-materiaal (een verbinding van bismut, strontium, calcium, koper en zuurstof) die werden voorzien van hoge stroom in een omgeving waar minieme temperatuurschommelingen konden optreden. gedetecteerd en vergeleken met de numerieke voorspellingen.

De volgende stap zal zijn om hun aanpak te testen op echte spoelen die zijn omwikkeld met HTS-geleidermateriaal om de vorm te repliceren die ze zouden aannemen in deeltjesversnellers en apparaten zoals MRI-machines.

Om met succes de pre-quench-toestand in deze spoelen te detecteren, zijn de wetenschappers van plan zeer gevoelige temperatuurbewakingssystemen te gebruiken die zijn ontwikkeld door henzelf en hun collega's van ATAP, een groep met diepgaande expertise in fundamentele en toegepaste wetenschap van versnellermagneet.

"Er zullen een aantal uitdagingen zijn omdat we gedistribueerde temperatuurmetingen nodig hebben, maar dat is iets waar we de afgelopen jaren behoorlijk veel aan hebben gewerkt", zei Marchevsky. Hij merkte op dat traditionele quench-detectiesystemen voor lage-temperatuurmagneten de weerstand over de magneet bewaken, wat niet goed werkt voor HTS-magneten. "Verschillende nieuwe technieken worden onderzocht en ingebed in onze echte prototypemagneten."

Hun technieken omvatten op ultrasoon gebaseerde, op radiofrequentie gebaseerde en op glasvezel gebaseerde sensorsystemen. Deze laatste benadering is de belangrijkste kandidaat voor gebruik in experimentele plasmafusie-energiereactoren, een van de eerste echte toepassingen van HTS-magneten aan de horizon. Plasmafusiereactoren hebben krachtige magneten nodig om mengsels van oververhitte geladen deeltjes in een kleine ruimte op te sluiten, en HTS-magneten lijken veelbelovend om een ​​doorbraak op dit gebied mogelijk te maken.

Marchevsky en Prestemon hopen dat gedistribueerde temperatuursystemen die de hele magneet monitoren operators kunnen waarschuwen als een regio de bovenkant van het veilige temperatuurvenster nadert. Vervolgens kan de aan de magneet geleverde stroom worden verminderd en uitdoving worden vermeden.

Als dit lukt, zou de aanpak een wijdverspreide adoptie van HTS-magneten mogelijk kunnen maken, wat uiteindelijk zou leiden tot veel hogere magnetische velden en magneetsystemen die goedkoper in onderhoud zijn dan hun tegenhangers bij lage temperaturen. Deze besparingen zouden helpen de kosten van al het door versnellers aangestuurde onderzoek te verlagen en het maanschot van fusie-energie te verwezenlijken.

"De fundamentele wetenschap en precisiediagnostiek gecombineerd in dit werk illustreren de ongeëvenaarde reeks van 'mesoschaal tot magneet'-mogelijkheden die het Lab biedt in het streven naar hoge-temperatuur-supergeleiders als transformatieve technologieën voor versnellers, fusie en toepassingen", aldus Cameron Geddes, ATAP Divisiedirecteur.

Meer informatie: M Marchevsky et al., Thermisch runaway-criterium als basis voor de bescherming van supergeleidermagneten bij hoge temperaturen, Supergeleiderwetenschap en -technologie (2024). DOI:10.1088/1361-6668/ad20fe

Geleverd door Lawrence Berkeley National Laboratory