Alfa a omega magnetického udržení

Málokdo pochybuje o tom, že při izolaci termojaderného plazmatu se používá k vytváření udržujícího magnetického pole něco jiného než elektromagnety (na rozdíl od permanentních magnetů). Udržení termojaderného plazmatu můžete vylepšit buď zvětšením objemu plazmatu,  nebo, při zachování kvality, zvýšením intenzity magnetického pole.

Magnetické pole elektromagnetu roste s elektrickým proudem tekoucím cívkou. Proud nemůžeme zvětšovat nade všechny meze, neboť Jouleho teplo by cívku zničilo i při sebelepším chlazení. Východiskem je zkrátit dobu generace magnetického pole (pulzní režim) nebo snížením generace Jouleho tepla – přechod k supravodivému materiálu. Pro termojaderný reaktor je vhodný druhý způsob – využití supravodičů. Nicméně i pulzní režim se používá, například pro studium chování materiálů v extrémních polích, a to od magnetické indukce 100 T (tesla) PjotraKapicy ve třicátých letech minulého století po 1 200 T dosažených v současné době Tokijskou universitou.

Celosupravodivé tokamaky

Pouze dva tokamaky na světě jsou „celo“ supravodivé: čínský EAST a korejský KSTAR. Celosupravodivým bude i tokamak ITER. ITER použije dva typy nízkoteplotních supravodičů: Nb₃Sn v prostředí silného magnetického pole (cívky toroidálního pole a centrální solenoid), Nb-Ti pro okolí se slabým magnetickým pole (například cívky poloidálního pole). Supravodiče v tokamaku ITER pracují na hranicích svých možností. V poslední době se studují tzv. vysokoteplotní supravodiče využívající materiály vzácných zemin. „Vysokoteplotní“ ovšem neznamená supravodivost při pokojové teplotě, ale „pouze“ při teplotě kapalného dusíku (77 K). Vědci si slibují menší a tudíž lacinější zařízení, neboť magnety, používající supravodivý materiál, REBCO/YBCO (Rare Eather Barium Copper Oxide, konkrétně třeba Ytrium Barium Copper Oxide), který se nedávno stal komerčně dostupným, vytvoří magnetické pole čtyřikrát silnější, než jaké bylo použito v jakémkoli stávajícím fúzním experimentu. To umožňuje více než desetinásobné zvýšení výkonu vyrobeného tokamakem dané velikosti, nebo dovolí zmenšit rozměry tokamaku při zachování jeho výkonu.

Vysokoteplotní supravodič dosáhl rekordu 45,5 Tesla

Supravodivost je zázrak fyziky: určité slitiny nebo sloučeniny se přestanou bránit ohmickým odporem proti průchodu elektřiny, když se ochladí na teploty blízké absolutní nule. V elektromagnetech vyrobených ze supravodivých cívek, jako bude mít ITER, klesá spotřeba elektrické energie na nulu. A další výhoda: uvnitř magnetů se nevytváří žádné teplo. Obrovské množství energie však přece vyžaduje chlazení magnetů. Chladicí kapalina musí cirkulovat po celé délce supravodivých cívek, což u tokamaku ITER znamená udržovat nucený průtok 25 tun kapalného hélia při 4 K (mínus 269 °C) po délce přibližně 180 km a hmotnosti 10 000 tun vodiče.

Po mnoho let se výzkum na celém světě snažil vyvinout materiály, které by přecházely do supravodivého stavu při vyšších teplotách. Tyto vysokoteplotní supravodiče, které se používají v elektromagnetech, by umožnily výrobu silnějších magnetických polí, a ta by mohla překročit současné omezení nízkoteplotních supravodičů (na svém maximu ve středu centrálního solenoidu ITER má magnetické pole intenzitu 13 tesla.)

Národní laboratoř pro vysoké magnetické pole (National High Magnetic Field Laboratory) v Tallahassee na Floridě nedávno oznámila významný průlom ve snaze o vysokoteplotní supravodiče: vyrobila a otestovala „malé velké cívky (Little Big Coils, LBC)“ o velikosti půl pinty (asi 0,25 litru), které fungovaly uvnitř otvoru velké vnější měděné cívky na pozadí jejího pole o velikosti přibližně 30 T, a samy generovaly dodatečných 14,5 T, čímž se v jejich malých otvorech vytvořilo celkové magnetické pole 45,5 Tesla. Tento experiment prokázal schopnost vysokoteplotních supravodičů pracovat ve velmi vysokých magnetických polích při velkých mechanických napětích. To by mohlo otevřít cestu nové generaci magnetů pro biomedicínský výzkum a pro fúzní reaktory. Více informací naleznete na internetových stránkách Národní laboratoře pro magnetické pole (National High Magnetic Field Laboratory, https://nationalmaglab.org/).

Světový rekord velikosti magnetického pole

V Národní laboratoři pro vysoké magnetické pole v Tallahassee, University of Florida, nedávno nový magnet o velikosti poloviny roličky vypotřebovaného toaletního papíru získal titul „nejsilnějšího magnetického pole na světě“ po kovovém titanu, který rekord držel po dvě desetiletí. Cívkou, kterou jste mohli vložit do dámské kabelky, vědci a inženýři MagLabu ukázali způsob, jak vyrobit a používat elektromagnety, které jsou silnější, menší a všestrannější než kdy předtím. „Opravdu otevíráme dveře novince,“ prohlásil inženýr Maglabu Seungyong Hahn, vynálezce nového magnetu a profesor na FAMU-FSU (Florida Agricultural and Mechanical University, Florida State University). „Tato technologie má velmi dobrý potenciál zcela změnit obzory aplikací vysokých polí díky své kompaktní povaze. To je opravdu milník miniaturizace, který by mohl potenciálně udělat pro magnety to, co křemík udělal pro elektroniku," řekl. „Tato kreativní technologie by mohla vést k malým magnetům, které dělají velké práce na místech, jako jsou detektory částic, reaktory pro jadernou fúzi a diagnostické přístroje v medicíně.“

Nové materiály, nový design

Miniaturní magnet vytvořený inženýrem Seungyongem Hahnem a jeho týmem vytvořil světově rekordní magnetické pole 45,5 tesla. Typický magnetický přístroj pro nemocnice pracuje s poli o velikosti 2 T nebo 3 T a nejsilnější magnet 45 T s nepřetržitým polem na světě je hybridní nástroj patřící MagLab, 35tunové monstrum, které tento rekord drží od roku 1999.

45-T, jak se nazývá, je stále nejsilnějším pracovním magnetem na světě, který umožňuje špičkový fyzikální výzkum materiálů. Magnet o velikosti přibližně čtvrt litru postavený Hahnem, který snížil hmotnost na 390 gramů, při zkouškách krátce překonal pole vedoucího šampiona o polovinu tesly, což je více než přesvědčivý důkaz správnosti konceptu.

Jak mohlo něco tak malého vytvořit tak velké pole? Pomocí ​​nového vodiče a nového magnetického uspořádání. Supravodiče použité v 45-T jsou slitiny na bázi niobu (jaké budou v tokamaku ITER), které fungují po desetiletí. Ve zkušebním magnetu 45,5-T však Hahnův tým použil novější slitinu s názvem REBCO (zkratka pro oxid měďnatý, oxid barynatý a oxidy vzácných zemin, rare earth barium copper oxide) s mnoha výhodami oproti konvenčním supravodičům. Tento supravodič studuje MIT pro tokamak AFC a soukromé společnsti Tokamak Energy a Applied Fusion Sysytems.

Kritický byl také specifický použitý produkt REBCO: jako papír-tenké, ploché dráty – pásky vyráběné společností SuperPower Inc. Takže REBCO, vyrobený ve tvaru pásků a navinutý do cívky, byl rozhodující pro světový rekord nového magnetu. Další klíčovou složkou nebylo něco, co se vložilo, ale něco, co se vynechalo: totiž – izolace.

Žádná izolace? Žádný problém!

Dnešní elektromagnety obsahují izolaci mezi vodivými vrstvami, která směřuje proud na nejúčinnější cestu. Přidává však také hmotnost a objem. Inovace Seungyonga Hahna spočívá v tom, že eliminoval izolaci. Kromě toho, že tak získal hladší nástroj, tento nápad chrání magnet před poruchou známou jako quench. Quench může nastat, když poškození nebo nedokonalosti ve vodiči zmenší průřez dráhy pro elektrický proud, což způsobuje zahřívání materiálu a ten ztrácí své supravodivé vlastnosti. Pokud však neexistuje žádná izolace, proud si jednoduše najde jinou cestu a quench se neobjeví. Hahnův návrh s sebou nese další aspekt „hubnutí“, který se na quench váže: Supravodivé dráty a pásky musejí obsahovat trochu mědi, která odvádí teplo ze zahřívajících se míst. Hahnova „neizolovaná“ cívka, která obsahuje pásky tlusté pouze 0,043 mm, vyžaduje mnohem méně mědi než běžné supravodivé magnety.

Pod vedením veterána MagLabu inženýra Iaina Dixona, tým postavil v rychlém sledu tři postupně výkonnější prototypy, které se staly známé jako série Little Big Coil (LBC). Když bylo na čase vyzkoušet kombinaci magnetů, byly malé cívky umístěny uvnitř většího, silnějšího běžného elektromagnetu (vyrobeného z mědi a stříbra, ne ze supravodičů). Kombinovaná pole obou magnetů stoupala s každou vylepšující iterací cívky, až v srpnu 2017 dosáhla očekávané hodnoty. Tým dostal magnet na jeho hranici 45,5 tesla, z nichž 14,5 bylo generováno pomocí LBC. Pak vědci analyzovali data, sepsali výsledky a předložili je redakci časopisu Nature. Odpověď editorů příliš nadšení nevyvolala: Publikace není připravena. Světový rekord, i když působivý, nestačí. Chceme vědět, proč neizolovaná cívka skončila na 45,5 T, a potřebujeme důkaz, že tato nová technologie povede ke skutečnému fungujícímu magnetu. „Abych byl upřímný, myslel jsem, že je to konec,“ řekl Hahn. „Selhali jsme v Nature.“

Plody selhání

Vědci jsou přesvědčeni, že teoreticky může REBCO fungovat i v polích podstatně vyšších, než bylo dosaženo v testu. Jaká překážka je tedy zastavila na 45,5 T, a jak by se mohli přes ní dostat? „Vyzvali nás,“ řekl Hahn, „a my jsme na výzvu zareagovali.“ Tým rozebral LBC, provedl sérii testů, shromáždil nová data. Domnívali se, že vodič se musel nějakým způsobem deformovat v důsledku mechanického namáhání vysokými poli. Ale kde přesně a jak? A bude „to“ možné opravit? Hledání odpovědí dostalo tým na špičku technologie – a to doslova. Vzhledem k výrobním omezením jsou pásky REBCO vyráběny se specifickou šířkou 12 mm. Aby byly splněny požadavky LBC, musely být tyto pásky řezány podélně na šířku 4 mm. To je dost těžké, a to i s největší péčí, protože REBCO je docela křehké. V důsledku toho byly strany pásky, které byly řezány, při mechanickém namáhání vysokými magnetickými poli náchylné k praskání. "Při těchto experimentech se to krásně projevilo," řekl Larbalestier, kolega Hahna. „Našli jsme způsob, jak tuto chybu odstranit, což znamená, že budeme kupovat materiál, který má jednu neřezanou hranu, a orientujeme neřezanou hranu směrem od středu magnetu. A skutečně, při dodržení této podmínky se nedostatek neopakoval. “

Další krok? Pokračování výzkumu a odstraňování dalších problémů. Hahnův návrh LBC je v současné době zvažován pro použití v budoucím potenciálně rekordním supravodivém magnetu, který je nyní ve výzkumu a vývoji financovaný National Science Foundation, NSC.

„Nicméně základním problémem REBCO je, že je to jednovláknový vodič, který nemůže být nikdy vyroben dokonale,“ řekl Larbalestier. „Jakákoliv délka vodiče obsahuje řadu defektů, jejichž dopad na jakýkoliv budoucí magnet ještě není dobře pochopen. Ale tyto druhy výzev si vychutnáváme.“ „Bude to chvíli trvat, než se chyby vychytají,“ řekl Hahn. Ale je přesvědčen, že se tak stane. „Technicky vzato – je to selhání,“ řekl Hahn. „Ale je to velmi dobré selhání. To, co jsme se dozvěděli z řady zkoušených cívek, je velmi důležité pro rozvoj technologie bez izolace.“

Projekt LBC probíhá ve spolupráci MagLab Applied Superconductivity Centre, jeho divize Magnet Science and Technology Division a Národní univerzity v Soulu. Kromě Hahna, Larbalestiera a Dixona byli autoři práce: Ph.D. student KabindraBhattarai, postdoktorandští výzkumníci Kwanglok Kim, Kwangmin Kim a Xinbo Hu; Vědci MagLab Thomas Painter a Jan Jaroszynski; a Seokho Kim a So Noguchi, oba hostující vědci na MagLabu.

National High Magnetic Field Laboratory je největší a nejmodernější magnetická laboratoř na světě. Interdisciplinární Národní MagLab, který se nachází na Floridské státní univerzitě (University of Florida) a Národní laboratoři Los Alamos (Los Alamos National Laboratory, LANL), hostí vědecké pracovníky z celého světa, kteří se zabývají základním výzkumem silných magnetich polí, což napomáhá pochopení materiálů, energie a života. Laboratoř je financována Národní vědeckou nadací (National Science Foundation NSC, DMR-1644779) a státem Florida.

Pro více informací navštivte online stránky na nationalmaglab.org nebo sledujte Facebook, Twitter, Instagram či Pinterest patřící National MagLab.

Volně podle Kristen Coyne