Newswise — Ускорители частиц, которые обеспечивают физику высоких энергий и служат многим областям науки, таким как материаловедение, медицина и термоядерные исследования, приводятся в движение сверхпроводящими магнитами, которые, проще говоря, довольно привередливы.

Сверхпроводники — это особый класс материалов, которые при охлаждении ниже определенной температуры проводят без сопротивления большие электрические токи. Если вы расположите материал в катушках, проходящий через них ток будет создавать сильные магнитные поля, эффективно сохраняя потенциальную энергию движущихся электронов в форме магнитного поля. Но если они станут слишком горячими – а под горячими мы подразумеваем температуру всего на несколько градусов выше -452 градусов по Фаренгейту (4,2 Кельвина) или температуры жидкого гелия – они могут внезапно восстановить свое электрическое сопротивление и рассеять энергию магнитного поля в быстрый прилив тепла.

Новый тип сверхпроводников, известный как высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), готов совершить новую революцию в науке и технике. Эти сверхпроводники могут создавать еще более сильные магнитные поля, работая при более простых для поддержания температурах, чем традиционные сверхпроводящие магниты.

В новых материалах HTS эти нежелательные нагревания, известные как «закалки», являются особенно дорогостоящими, поскольку они могут разрушить магнит, повредить близлежащие компоненты и истощить значительные объемы драгоценных жидких охлаждающих жидкостей, используемых для охлаждения магнита. Из-за своих мощных свойств эти магниты в настоящее время являются горячей темой исследований и разработок, но защита их от разрушительных событий является серьезным препятствием на пути их широкого применения. Лучшим решением было бы разработать ВТСП-магниты, которые вообще не подвергаются закалке.

Именно над этим работают исследователи Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab).

Максим Марчевский и Сорен Престемон из отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) разработали стратегию определения условий, при которых магниты HTS могут безопасно работать без риска внезапного перегрева, приводящего к выходу магнита из строя.

«Это в некоторой степени похоже на проектирование самолета, обеспечивающего безопасную посадку в случае отказа двигателя, а не на проектирование самолета, способного пережить аварию», — сказал Престемон, заместитель директора по технологиям подразделения ATAP. Их работа была недавно опубликована в Сверхпроводниковая наука и технологии .

Поскольку ВТСП-магниты могут выдерживать более высокую плотность электрического тока и более широкий диапазон температур, при этом действуя как сверхпроводники, они менее склонны к гашению, чем их низкотемпературные аналоги. Однако обнаружить приближающееся гашение в ВТСП-магнитах сложнее, поскольку сверхпроводящие свойства отключаются в очень маленьких карманах материала. Это означает, что огромная магнитная энергия катушки преобразуется в тепло на небольшой площади, в результате чего температура в этом месте быстро возрастает до экстремальных значений.

Такая потеря сверхпроводимости обычно вызвана током, превышающим емкость сверхпроводника, например, из-за несовершенства структуры материала, или повышенным нагревом, вызванным либо неисправностью системы охлаждения, либо воздействием на магнит ошибочно быстро движущегося объекта. частицы из ускорителя или термоядерного реактора. В любом случае, возникающее в результате подавление сложнее контролировать, и оно может достичь точки невозврата быстрее, чем можно будет активировать существующие системы смягчения последствий.

К счастью, несколько десятилетий исследований и разработок HTS показали, что эти материалы могут выдерживать незначительное накопление тепла, но остаются в режиме сверхпроводника. Используя эти знания, Марчевский и Престемон поняли, что они могут рассчитать окно рабочих параметров, в котором ВТСП-проводник будет работать, не выходя из-под контроля и не приводя к резкому охлаждению.

«Благодаря этому мы можем решить проблему по-другому. Мы можем искать признаки тепла где-то в магните, и если мы обнаружим его достаточно рано, мы сможем безопасно снизить ток, фактически не гася магнит», — сказал Марчевский, штатный физик ATAP.

Теоретическая работа ученых была подтверждена экспериментами с использованием ленточных образцов ВТСП-материала Bi-2223 (соединение висмута, стронция, кальция, меди и кислорода), на которые подавался сильный ток в среде, где возможны малейшие колебания температуры. обнаружены и сравнены с численными предсказаниями. Следующим шагом будет проверка их подхода на реальных катушках, намотанных из материала ВТСП-проводника, чтобы воспроизвести форму, которую они примут внутри ускорителей частиц и таких устройств, как аппараты МРТ.

Чтобы успешно обнаружить состояние предварительного закаливания в этих катушках, ученые планируют использовать высокочувствительные системы мониторинга температуры, разработанные ими и их коллегами из ATAP, группы с глубоким опытом в фундаментальной и прикладной науке об ускорительном магнитоведении. «Будут некоторые проблемы, поскольку нам необходимо обеспечить распределенное измерение температуры, но над этим мы довольно много работали в последние несколько лет», — сказал Марчевский. Он отметил, что традиционные системы обнаружения гашения для низкотемпературных магнитов отслеживают сопротивление магнита, что не очень хорошо работает для ВТСП-магнитов. «Различные новые технологии исследуются и внедряются в наши реальные прототипы магнитов».

Их методы включают сенсорные системы на основе ультразвука, радиочастоты и оптоволокна. Последний подход является основным кандидатом на использование в экспериментальных плазменных термоядерных реакторах, которые являются одним из первых реальных применений ВТСП-магнитов на горизонте. Плазменным термоядерным реакторам нужны мощные магниты для удержания смесей перегретых заряженных частиц в небольшом пространстве, и магниты ВТСП выглядят многообещающе, чтобы обеспечить прорыв в этой области.

Марчевский и Престемон надеются, что распределенные температурные системы, контролирующие весь магнит, смогут предупредить операторов, если какая-либо область приближается к верхнему пределу безопасного температурного окна. Тогда ток, подаваемый на магнит, можно уменьшить и избежать гашения.

В случае успеха этот подход может обеспечить широкое внедрение ВТСП-магнитов, что в конечном итоге приведет к созданию гораздо более сильных магнитных полей и магнитных систем, которые дешевле обслуживать, чем их низкотемпературные аналоги. Эта экономия поможет снизить затраты на все исследования, проводимые с использованием ускорителей, и будет способствовать достижению амбициозной цели по созданию термоядерной энергии.

«Фундаментальная наука и прецизионная диагностика, объединенные в этой работе, иллюстрируют беспрецедентный набор возможностей «мезомасштаба к магниту», которые Лаборатория привносит в разработку высокотемпературных сверхпроводников в качестве преобразующих технологий в ускорителях, термоядерном синтезе и других приложениях», — сказал Кэмерон Геддес, директор подразделения ATAP. .

Эта работа была поддержана Программой разработки магнитов Управления физики высоких энергий Министерства энергетики США.

###

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) стремится предлагать решения для человечества посредством исследований в области чистой энергии, здоровой планеты и научных открытий. Лаборатория Беркли и ее ученые, основанная в 1931 году с убеждением, что самые серьезные проблемы лучше всего решаются командами, были удостоены 16 Нобелевских премий. Исследователи со всего мира полагаются на научное оборудование лаборатории мирового класса в своих новаторских исследованиях. Лаборатория Беркли — это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт Energy.gov/science.