Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hittat ett sätt att bygga kraftfulla magneter som är mindre än tidigare, vilket underlättar designen och konstruktionen av maskiner som kan hjälpa världen att utnyttja solens kraft för att skapa elektricitet utan att producera växthusgaser som bidrar till klimatförändringarna.

Forskarna hittade ett sätt att bygga supraledande magneter med hög temperatur som är gjorda av material som leder elektricitet med lite eller inget motstånd vid temperaturer som är varmare än tidigare. Sådana kraftfulla magneter skulle lättare passa in i det trånga utrymmet inuti sfäriska tokamak, som är mer formad som ett äpple med kärnor än den munkliknande formen hos konventionella tokamak, och undersöks som en möjlig design för framtida fusionskraftverk.

Eftersom magneterna kunde placeras åtskilda från andra maskiner i den sfäriska tokamakens centrala hålighet för att fånga in den heta plasman som underblåser fusionsreaktioner, kunde forskare reparera dem utan att behöva ta isär något annat.

"För att göra detta behöver du en magnet med ett starkare magnetfält och en mindre storlek än nuvarande magneter", säger Yuhu Zhai, chefsingenjör vid PPPL och huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i IEEE Transactions on Applied Superconductivity . "Det enda sättet du gör det är med supraledande ledningar, och det är vad vi har gjort."

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Supraledande magneter med hög temperatur har flera fördelar jämfört med kopparmagneter. De kan slås på under längre perioder än kopparmagneter kan eftersom de inte värms upp lika snabbt, vilket gör dem bättre lämpade för användning i framtida fusionskraftverk som kommer att behöva köras i månader i taget. Supraledande ledningar är också kraftfulla och kan överföra samma mängd elektrisk ström som en koppartråd många gånger bredare samtidigt som de producerar ett starkare magnetfält.

Magneterna kan också hjälpa forskare att fortsätta att krympa storleken på tokamaks, förbättra prestanda och minska byggkostnaderna. "Tokamaks är känsliga för förhållandena i sina centrala regioner, inklusive storleken på den centrala magneten, eller solenoiden, avskärmningen och vakuumkärlet", säger Jon Menard, PPPL:s biträdande forskningsdirektör. "Mycket beror på centrum. Så om du kan krympa saker i mitten kan du krympa hela maskinen och minska kostnaderna samtidigt som du i teorin förbättrar prestandan."

Dessa nya magneter drar fördel av en teknik som förfinats av Zhai och forskare vid Advanced Conductor Technologies, University of Colorado, Boulder och National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. Tekniken gör att ledningarna inte behöver konventionell epoxi- och glasfiberisolering för att säkerställa strömflödet. Samtidigt som den förenklar konstruktionen sänker tekniken också kostnaderna. "Kostnaderna för att linda spolarna är mycket lägre eftersom vi inte behöver gå igenom den dyra och felbenägna epoxivakuumimpregneringsprocessen", sa Zhai. "Istället lindar du direkt in ledaren till spolformen."

Dessutom kan "högtemperatursupraledande magneter hjälpa sfärisk tokamakdesign eftersom den högre strömtätheten och mindre lindningarna ger mer utrymme för stödstruktur som hjälper enheten att motstå de höga magnetfälten, vilket förbättrar driftsförhållandena", säger Thomas Brown, en PPPL-ingenjör som bidragit till forskningen. "De mindre, mer kraftfulla magneterna ger också maskindesignern fler möjligheter att designa en sfärisk tokamak med geometri som kan förbättra den totala tokamakprestandan. Vi är inte riktigt där än men vi är närmare, och kanske nära nog." + Utforska vidare

Innovativ ny magnet kan underlätta utvecklingen av fusion och medicinsk utrustning