Главный инженер PPPL Юху Чжай с изображениями высокотемпературного сверхпроводящего магнита, который может улучшить работу термоядерных устройств сферического токамака. Фото: Киран Сударсанан / PPPL Office of Communications

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США нашли способ создания мощных магнитов меньшего размера, чем раньше, что помогло в разработке и строительстве машин, которые могли бы помочь миру использовать энергию солнца для производства электроэнергии. без образования парниковых газов, способствующих изменению климата.

Ученые нашли способ создания высокотемпературных сверхпроводящих магнитов, сделанных из материала, который проводит электричество с небольшим сопротивлением или вообще без сопротивления при более высоких температурах, чем раньше. Такие мощные магниты легче поместиться в ограниченном пространстве внутри сферических токамаков, которые больше похожи на яблоко с сердцевиной, чем на пончик обычных токамаков, и исследуются в качестве возможной конструкции будущих термоядерных электростанций.

Поскольку магниты можно было расположить отдельно от других механизмов в центральной полости сферического токамака, чтобы задерживать горячую плазму, подпитывающую термоядерные реакции, исследователи могли ремонтировать их, не разбирая ничего другого.

«Для этого вам нужен магнит с более сильным магнитным полем и меньшим размером, чем современные магниты», — сказал Юху Чжай, главный инженер PPPL и ведущий автор статьи, сообщающей о результатах в IEEE Transactions on Applied Superconductivity. «Единственный способ сделать это — использовать сверхпроводящие провода, и это то, что мы сделали».

Термоядерный синтез, сила, которая движет солнцем и звездами, объединяет легкие элементы в форме плазмы — горячего заряженного состояния материи, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — что генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый источник безопасной и чистой энергии для производства электроэнергии.

Высокотемпературные сверхпроводящие магниты имеют ряд преимуществ перед медными магнитами. Их можно включать дольше, чем медные магниты, потому что они не нагреваются так быстро, что делает их более подходящими для использования в будущих термоядерных электростанциях, которые должны будут работать месяцами. Сверхпроводящие провода также являются мощными, они способны передавать то же количество электрического тока, что и медный провод во много раз шире, создавая при этом более сильное магнитное поле.

Магниты также могут помочь ученым продолжать уменьшать размер токамаков, повышая производительность и снижая стоимость строительства. «Токамаки чувствительны к условиям в их центральных областях, включая размер центрального магнита или соленоида, экранирования и вакуумного сосуда», — сказал Джон Менард, заместитель директора PPPL по исследованиям. «Многое зависит от центра. Поэтому, если вы можете уменьшить что-то в середине, вы можете уменьшить всю машину и снизить затраты, теоретически повысив производительность».

В этих новых магнитах используется метод, усовершенствованный Чжаем и исследователями из Advanced Conductor Technologies, Университета Колорадо, Боулдер, и Национальной лаборатории сильного магнитного поля в Таллахасси, Флорида. Этот метод означает, что провода не нуждаются в обычной эпоксидной и стекловолоконной изоляции для обеспечения протекания электричества. Упрощая конструкцию, этот метод также снижает затраты. «Затраты на намотку катушек намного ниже, потому что нам не нужно проходить дорогостоящий и подверженный ошибкам процесс вакуумной пропитки эпоксидной смолой», — сказал Чжай. «Вместо этого вы напрямую наматываете проводник в форму катушки».

Более того, «высокотемпературные сверхпроводящие магниты могут помочь в сферической конструкции токамака, потому что более высокая плотность тока и меньшие обмотки обеспечивают больше места для опорной конструкции, которая помогает устройству выдерживать сильные магнитные поля, улучшая условия работы», — сказал Томас Браун, инженер PPPL, который способствовал исследованию. «Кроме того, более мощные магниты меньшего размера дают разработчику машин больше возможностей для разработки сферического токамака с геометрией, которая может улучшить общую производительность токамака. Мы еще не совсем там, но мы ближе, и, может быть, достаточно близко».