Влияние высокотемпературных сверхпроводников на конструкцию термоядерного магнита

Высокотемпературные сверхпроводники (HTS) появились в качестве преобразующей силы в исследованиях термоядерной энергии, открывая новые возможности для магнитных удерживающих систем, которые ранее были недостижимы при обычных низкотемпературных сверхпроводниках (LTS). Работая при относительно высоких температурах, материалы HTS позволяют проектировать более компактные, мощные и экономически эффективные термоядерные магниты, ускоряя путь к практической, коммерческой термоядерной мощности. В этой статье исследуются фундаментальные свойства HTS, их конкретные преимущества в конструкции термоядерного магнита, влияние на развитие реактора, оставшиеся проблемы и многообещающее будущее.

Что такое высокотемпературные сверхпроводники?

Высокотемпературные сверхпроводники - это керамика, которая проявляет нулевое электрическое сопротивление при температурах выше точки кипения жидкого азота (77 K или −196 ° C). Это резкий контраст с обычными материалами LTS, такими как ниобий-титан (NbTi) и ниобий-тин (Nb3Sn), которые требуют охлаждения до 4 K (−269 ° C) с использованием дорогостоящего жидкого гелия. Наиболее распространенные семейства HTS включают оксид меди иттрия бария (YBCO, часто производимый в виде проводников с покрытием) и оксид меди стронция с висмутом (BSCCO, доступный в виде лент или проводов). Эти материалы относятся к классу перовскитов оксида меди (купрата), чей сверхпроводящий механизм - хотя еще не полностью понят - коренится в сильных электронных корреляциях и образовании куперовских пар при гораздо более высоких тепловых энергиях.

Критическая температура (Tc) материалов HTS превышает 77 К для многих соединений, при этом YBCO имеет TccTcc, эти материалы могут выдерживать чрезвычайно высокие критические плотности тока (]Jcc) и выдерживать очень высокие магнитные поля — в некоторых случаях они превосходят 30 Т. Эти свойства делают их уникальными для требовательной среды термоядерного реактора, где магнитные поля должны ограничивать плазму при температурах, превышающих 150 миллионов градусов Цельсия.

Преимущества HTS в дизайне Fusion Magnet

Использование материалов HTS в термоядерных магнитах дает ряд преимуществ, которые напрямую касаются ограничений систем на основе LTS. Ниже мы подробно рассмотрим каждое преимущество.

Высшие магнитные поля

Реакторы сплава полагаются на мощные магнитные поля, чтобы ограничить горячую плазму и поддерживать ее стабильность. Магниты LTS обычно ограничены магнитными полями около 15-20 Т из-за их нижнего верхнего критического поля (]Bc2. Материалы HTS, особенно ленты YBCO, могут работать на полях выше 30 Т, все еще неся высокие токи. Эта более высокая напряженность поля позволяет термоядерным устройствам достигать большей плотности плазмы и давления удержания — ключевые параметры для устойчивой реакции синтеза в соответствии с тройным продуктом (плотность, температура, время удержания). Такие проекты, как Содружественные термоядерные системы (CFS) и токамак SPARC, используют магниты HTS для достижения магнитных полей 20 Т или более, что позволяет меньший, более дешевый реактор по сравнению с традиционными конструкциями.

Снижение затрат на охлаждение

Магниты LTS требуют жидкого гелия, который является дорогостоящим и зависит от сложной криогенной инфраструктуры. Гелий является конечным ресурсом, а поддержание среды 4 К добавляет значительные эксплуатационные затраты и сложность. Магниты HTS могут охлаждаться жидким азотом (77 К) или, более практически для синтеза, с криокулерами, работающими при 20–30 К. Более высокая рабочая температура снижает штраф за эффективность Карно: охлаждение при 20 К потребляет около 1/10 мощности, необходимой для охлаждения при 4 К. Это непосредственно снижает энергетические накладные расходы на термоядерную установку и упрощает криогенную систему, делая ее более надежной и простой в обслуживании.

Компактный дизайн

Способность генерировать более сильные магнитные поля с HTS напрямую приводит к уменьшению магнитных катушек для заданной напряженности поля. Компактные магниты уменьшают общий след термоядерного реактора, позволяя получить более модульную, экономически эффективную конструкцию. Например, токамак SPARC имеет большой радиус всего 1,83 м по сравнению с радиусом 6,2 м ITER, но он стремится достичь сопоставимой производительности (Q ≥ 10). Эта компактность также уменьшает количество необходимого структурного опорного материала, что еще больше снижает капитальные затраты. Более того, меньшие устройства могут быть построены и протестированы быстрее, ускоряя цикл итеративной разработки.

Повышение долговечности и надежности

Магниты HTS проявляют большую устойчивость к определенным режимам отказа, таким как гашение (внезапная потеря сверхпроводимости). ленты HTS имеют более высокий предел термической стабильности, потому что они могут поглощать больше тепла, прежде чем подняться выше своей критической температуры. Это свойство снижает риск катастрофического повреждения гашения, которое может произойти в магнитах LTS. Кроме того, проводники HTS менее восприимчивы к деградации от нейтронного излучения - критическое преимущество внутри термоядерного реактора, где высокоэнергетические нейтроны от реакции D-T могут ухудшать свойства материала. Исследования показали, что ленты YBCO сохраняют большую часть своего критического тока после умеренных нейтронных потоков, что делает их пригодными для долгосрочной работы в термоядерной среде.

Влияние на развитие термоядерных реакторов

Интеграция HTS коренным образом изменила ландшафт конструкции термоядерного реактора, переместив фокус с крупных дорогостоящих машин на основе LTS на более мелкие, более гибкие устройства, которые стремятся к чистой прибыли энергии раньше.

Включение компактного Токамака

Традиционные токамаки, такие как ITER, используют массивные магниты LTS для достижения магнитных полей около 11 Т. В то время как ITER, как ожидается, будет производить чистую мощность (Q ≥ 10), его размер и стоимость (оцениваемая в более чем 20 миллиардов долларов) делают его одноразовым экспериментом. HTS, с другой стороны, позволяет использовать высокопольные компактные токамаки, такие как SPARC (разработанный CFS в сотрудничестве с Центром плазмы MIT). SPARC будет использовать тороидальные полевые магниты HTS, производящие 12 Т на магните и более 8 Т в плазменном центре. Если это будет успешным, он продемонстрирует чистый прирост энергии синтеза (Q ≥ 2) в устройстве, намного меньшем, чем ITER. Несколько других частных компаний, включая Tokamak Energy (Великобритания), TAE Technologies (США) и General Fusion (Канада), также интегрируют HTS в свои проекты, начиная от сферических токамаков до конфигураций, обращенных в поле.

Влияние на звездолеты и другие концепции

Стеллараторам, которые предлагают врожденную работу в устойчивом состоянии без тока плазмы, также выгодна HTS. Стелларатор Wendelstein 7-X в Германии использует LTS, но будущие стеллараторы могут использовать HTS для генерации более высоких магнитных полей и уменьшения общего размера. Улучшенная напряженность поля от HTS может улучшить удержание и стабильность плазмы, делая стеллараторы более конкурентоспособными с токамаками. Кроме того, HTS открывает возможности для передовых концепций, таких как сферический токамак и конструкция компактного термоядерного реактора (ARC), оба из которых полагаются на магниты HTS для достижения необходимого тройного продукта в меньшем объеме.

Прогресс в производстве лент HTS

За последнее десятилетие стоимость и доступность лент HTS значительно улучшились. Такие компании, как SuperPower (в настоящее время входит в состав Furukawa Electric), AMSC (американский сверхпроводник) и Shanghai Superconductor, увеличили производство проводников с покрытием YBCO с использованием таких методов, как IBAD (осаждение с помощью ионного пучка) и MOCVD (осаждение металлоорганических химических паров). Длина производства превышает 1 км на ленту с критическими токами более 500 A / см ширина при 77 K. В то время как затраты остаются выше, чем LTS ($ 10-100 за ка-м против $1-5 за ка-м для NbTi), разрыв сокращается по мере увеличения объемов производства. Министерство энергетики США профинансировало инициативы по сокращению затрат на провода HTS до уровня ниже $10 за ка-м к 2030 году, что сделает компактный синтез экономически жизнеспособным.

Проблемы и оставшиеся препятствия

Несмотря на свои обещания, материалы HTS представляют собой несколько технических проблем, которые необходимо преодолеть до широкого внедрения в коммерческих термоядерных реакторах.

Материальная хрупкость и механические свойства

Материалы HTS представляют собой керамические соединения, то есть они по своей природе хрупкие и восприимчивые к растрескиванию при растягивании. В термоядерном магните катушки подвергаются воздействию больших сил Лоренца, которые могут производить напряжения в несколько сотен мегапаскалей. Если HTS лента трескается, ее критический ток необратимо деградирует. Для смягчения этого ленты HTS часто ламинируются стабилизатором из меди или нержавеющей стали, который обеспечивает механическое усиление и электрическую защиту в случае гашения. Тем не менее, исследователи изучают более прочные архитектуры, такие как кабели с витой стековой лентой (TSTC) и провода на круглом ядре (CORC), для улучшения механической гибкости и прочности.

Защита и стабильность квинча

Квенч в магнитах HTS более сложен, чем в LTS. В то время как HTS имеет более высокий тепловой запас, скорость распространения нормальной зоны (NZPV) в HTS чрезвычайно низка - часто всего несколько см / с по сравнению с метрами / с в LTS. Это означает, что локальный кувшин может не распространяться достаточно быстро, чтобы быть обнаруженным до того, как горячая точка повреждает проводник. Разрабатываются передовые методы обнаружения кувшина, такие как решетки напряжения, датчики акустического излучения и волоконно-оптические распределенные температурные датчики. Кроме того, магниты HTS требуют надежных цепей сброса, которые могут быстро извлекать накопленную энергию без перенапряжения катушки. Разработка надежной защиты кувшина для больших магнитов HTS остается активной областью исследований.

Высокие производственные затраты и масштабируемость

Хотя затраты на ленту HTS упали, они по-прежнему на порядок выше, чем LTS для эквивалентной производительности. Для коммерческого термоядерного реактора, требующего сотни километров ленты, стоимость может легко превысить 1 миллиард долларов. Расширение производства для снижения стоимости на кА-м является критическим. Кроме того, производство длинномерных лент HTS с однородными свойствами является сложной задачей; дефекты или слабые места могут ограничить эффективную текущую емкость всего магнита. Необходим дальнейший прогресс в обработке катушки на катушку и контроле качества.

Совместное сопротивление и прекращение

В больших магнитах часто необходимо сплайсовать несколько лент HTS вместе или подключить их к силовым проводам. Стыки в проводниках HTS обычно имеют конечное сопротивление (порядка нано-омов) из-за необходимости передачи тока между слоями серебра или меди. Над большим магнитом эти сочленения могут привести к значительным тепловым нагрузкам при криогенных температурах, увеличивая требования к мощности охлаждения. Разработка низкопрочных, механически прочных соединений имеет важное значение для эффективных, крупномасштабных магнитных систем HTS.

Будущие перспективы и направления исследований

Следующее десятилетие будет иметь решающее значение для синтеза на основе HTS. На горизонте есть несколько вех:

Более широкие последствия помимо слияний

В то время как слияние является громким приложением, технология HTS имеет далеко идущие последствия. В медицине магниты HTS позволяют использовать системы МРТ и ЯМР с более высоким разрешением и меньшим размером. В энергетике ограничители тока HTS, трансформаторы и кабели разлома используются для повышения эффективности и надежности сети. Силовые кабели HTS могут передавать в пять-десять раз больше энергии, чем медные кабели того же размера, предлагая решение для перегруженных городских районов. Ускорители частиц для фундаментальной науки и терапии рака также получают выгоду от магнитов HTS, поскольку они могут производить более высокие изгибающие поля в компактном следе. Эти параллельные разработки снижают затраты HTS и улучшают технологии производства, что, в свою очередь, принесет пользу производству термоядерных магнитов.

Заключение

Высокотемпературные сверхпроводники представляют собой сдвиг парадигмы в конструкции термоядерных магнитов, что позволяет создавать более высокие магнитные поля, снижать затраты на охлаждение, более компактные реакторы и повышать долговечность. Интеграция HTS стимулировала волну частных и общественных инициатив по термоядерному синтезу, которые направлены на демонстрацию чистого прироста энергии в течение этого десятилетия. В то время как такие проблемы, как хрупкость материалов, защита от гашения и производственные затраты, остаются, продолжающиеся исследования и промышленное расширение неуклонно преодолевают эти препятствия. По мере развития технологии HTS она не только ускорит приход коммерческой термоядерной энергии, но и революционизирует другие сектора, зависящие от магнитов высокого поля. Сочетание HTS и термоядерного синтеза является мощной синергией, которая в конечном итоге может обеспечить обильную, чистую энергию в мире.