I superconduttori sono una classe speciale di materiali che, quando raffreddati al di sotto di una certa temperatura, trasportano grandi correnti elettriche senza resistenza. Se disponi il materiale in bobine, la corrente che lo attraversa produrrà forti campi magnetici, immagazzinando efficacemente l'energia potenziale degli elettroni in movimento sotto forma di campo magnetico.

Ma se diventano troppo caldi (e per caldi intendiamo solo pochi gradi sopra i -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), o la temperatura dell'elio liquido, possono improvvisamente riacquistare la loro resistenza elettrica e dissipare l'energia del campo magnetico. in una rapida esplosione di calore.

Un nuovo tipo di superconduttore, noto come superconduttori ad alta temperatura (HTS), è pronto a inaugurare un’altra rivoluzione per la scienza e la tecnologia. Questi superconduttori hanno il potenziale per produrre campi magnetici ancora più elevati mentre funzionano a temperature più facili da mantenere rispetto ai tradizionali magneti superconduttori.

Nei nuovi materiali HTS, questi eventi di riscaldamento indesiderati, noti come "quench", sono particolarmente costosi, poiché possono distruggere il magnete, danneggiare i componenti vicini ed esaurire volumi significativi dei preziosi liquidi refrigeranti utilizzati per raffreddare il magnete. A causa delle loro potenti proprietà, questi magneti sono attualmente un argomento caldo di ricerca e sviluppo, ma proteggerli da eventi distruttivi rappresenta un grosso ostacolo alla loro ampia applicazione.

La soluzione migliore sarebbe progettare magneti HTS che non si spengano.

Questo è ciò su cui stanno lavorando i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Maxim Marchevsky e Soren Prestemon della divisione Accelerator Technology &Applied Physics (ATAP) hanno sviluppato una strategia per identificare le condizioni in cui i magneti HTS possono funzionare in sicurezza senza il rischio di un improvviso accumulo di calore che causa il guasto del magnete.

"Questo è in qualche modo simile a progettare un aereo per consentire un atterraggio sicuro in caso di guasto al motore, invece di progettare l'aereo per sopravvivere a un incidente", ha affermato Prestemon, vicedirettore della tecnologia per la divisione ATAP. Il loro lavoro è stato pubblicato di recente in Superconductor Science and Technology .

Poiché i magneti HTS possono tollerare una maggiore densità di corrente elettrica e un intervallo di temperature più ampio pur agendo come superconduttori, sono meno inclini allo spegnimento rispetto ai loro omologhi a bassa temperatura. Tuttavia, rilevare un raffreddamento imminente è più difficile nei magneti HTS perché le proprietà superconduttrici si disattivano in sacche molto piccole del materiale.

Ciò significa che l'enorme energia magnetica della bobina viene convertita in calore su una piccola area, provocando un rapido aumento della temperatura fino a livelli estremi in quella posizione.

Una tale perdita di superconduttività è tipicamente causata dal fatto che la corrente supera la capacità del superconduttore, ad esempio, a causa di imperfezioni nella struttura del materiale o dall'aumento di calore causato da un malfunzionamento del sistema di raffreddamento o dall'impatto sul magnete di corpi estranei in rapido movimento. particelle dall'acceleratore o dal reattore a fusione. In ogni caso, l'estinzione risultante è più difficile da monitorare e potrebbe raggiungere il punto di non ritorno più velocemente di quanto possano essere attivati ​​i sistemi di mitigazione esistenti.

Fortunatamente, diversi decenni di ricerca e sviluppo HTS hanno rivelato che questi materiali possono tollerare un lieve accumulo di calore ma rimanere in modalità superconduttore. Usando questa conoscenza, Marchevsky e Prestemon si sono resi conto di poter calcolare una finestra di parametri operativi in ​​cui il conduttore HTS funzionerà senza mai perdere il controllo in un quench.

"Per questo motivo, possiamo effettivamente affrontare il problema in modo diverso. Possiamo cercare un segno di calore da qualche parte nel magnete e, se lo rileviamo abbastanza presto, possiamo tranquillamente far diminuire la corrente senza spegnere il magnete", ha detto Marchevskij. , un fisico dello staff dell'ATAP.

Il lavoro teorico degli scienziati è stato convalidato con esperimenti utilizzando campioni a forma di nastro di materiale Bi-2223 HTS (un composto di bismuto, stronzio, calcio, rame e ossigeno) alimentati con corrente elevata in un ambiente in cui potevano essere rilevate minime fluttuazioni di temperatura. rilevato e confrontato con le previsioni numeriche.

Il prossimo passo sarà testare il loro approccio su bobine reali avvolte con materiale conduttore HTS per replicare la forma che assumerebbero all'interno di acceleratori di particelle e dispositivi come le macchine per la risonanza magnetica.

Per rilevare con successo lo stato di pre-quench in queste bobine, gli scienziati intendono utilizzare sistemi di monitoraggio della temperatura altamente sensibili sviluppati da loro stessi e dai loro colleghi di ATAP, un gruppo con profonda esperienza nella scienza fondamentale e applicata dei magneti per acceleratori.

"Ci saranno alcune sfide perché abbiamo bisogno di una misurazione distribuita della temperatura, ma è qualcosa su cui abbiamo lavorato parecchio negli ultimi anni", ha affermato Marchevskij. Ha notato che i tradizionali sistemi di rilevamento della temperatura per magneti a bassa temperatura monitorano la resistenza attraverso il magnete, il che non funziona bene per i magneti HTS. "Varie nuove tecniche vengono studiate e integrate nei nostri veri prototipi di magneti."

Le loro tecniche includono sistemi di sensori a ultrasuoni, a radiofrequenza e a fibra ottica. Quest’ultimo approccio è il candidato principale per l’uso nei reattori sperimentali di energia a fusione al plasma, che sono una delle prime applicazioni reali dei magneti HTS all’orizzonte. I reattori a fusione al plasma necessitano di potenti magneti per confinare miscele di particelle cariche surriscaldate in un piccolo spazio, e i magneti HTS sembrano promettenti per consentire una svolta in questo campo.

Marchevsky e Prestemon sperano che i sistemi di temperatura distribuiti che monitorano l'intero magnete siano in grado di allertare gli operatori se una qualsiasi regione si sta avvicinando al limite superiore della finestra di temperatura di sicurezza. Quindi, la corrente erogata al magnete può essere ridotta ed evitato lo spegnimento.

In caso di successo, l’approccio potrebbe consentire un’adozione diffusa dei magneti HTS, portando in definitiva a campi magnetici molto più elevati e sistemi magnetici più economici da mantenere rispetto alle loro controparti a bassa temperatura. Questi risparmi contribuirebbero a ridurre i costi di tutta la ricerca guidata dagli acceleratori e a favorire l'obiettivo lunare dell'energia da fusione.

"La scienza fondamentale e la diagnostica di precisione combinate in questo lavoro esemplificano l'impareggiabile insieme di capacità dalla "mesoscala al magnete" che il Laboratorio apporta alla spinta verso i superconduttori ad alta temperatura come tecnologie di trasformazione attraverso acceleratori, fusione e applicazioni", ha affermato Cameron Geddes, ATAP Direttore di divisione.