Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tìm ra cách chế tạo nam châm mạnh nhỏ hơn trước đây, hỗ trợ thiết kế và chế tạo máy móc có thể giúp thế giới khai thác năng lượng mặt trời để tạo ra điện mà không tạo ra khí nhà kính góp phần làm biến đổi khí hậu.
Các nhà khoa học đã tìm ra cách chế tạo nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao được làm bằng vật liệu dẫn điện với ít hoặc không có điện trở ở nhiệt độ ấm hơn trước.
Những nam châm mạnh như vậy sẽ dễ dàng nằm gọn trong không gian chật hẹp bên trong tokamaks hình cầu, có hình dạng giống quả táo có lõi hơn là hình dạng giống chiếc bánh rán của tokamaks thông thường và đang được khám phá như một thiết kế khả thi cho các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai.
Vì các nam châm có thể được định vị tách biệt với các máy móc khác trong khoang trung tâm của tokamak hình cầu để chặn plasma nóng cung cấp nhiên liệu cho các phản ứng nhiệt hạch, nên các nhà nghiên cứu có thể sửa chữa chúng mà không cần phải tháo rời bất kỳ thứ gì khác.
Yuhu Zhai, kỹ sư chính tại PPPL và là tác giả chính của bài báo báo cáo kết quả trong Giao dịch IEEE về tính siêu dẫn ứng dụng cho biết: “Để làm được điều này, bạn cần một nam châm có từ trường mạnh hơn và kích thước nhỏ hơn các nam châm hiện tại. “Cách duy nhất để bạn làm điều đó là sử dụng dây dẫn siêu dẫn, và đó là những gì chúng tôi đã làm.”
Nhiệt hạch, năng lượng điều khiển mặt trời và các ngôi sao, kết hợp các nguyên tố nhẹ ở dạng plasma — trạng thái nóng, tích điện của vật chất bao gồm các electron tự do và hạt nhân nguyên tử — tạo ra lượng năng lượng khổng lồ.
Các nhà khoa học đang tìm cách tái tạo phản ứng tổng hợp trên Trái đất để cung cấp nguồn năng lượng sạch và an toàn gần như vô tận để tạo ra điện.
Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có một số ưu điểm so với nam châm đồng. Chúng có thể được bật trong thời gian dài hơn so với nam châm đồng vì chúng không nóng lên nhanh chóng, khiến chúng phù hợp hơn để sử dụng trong các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai sẽ phải chạy hàng tháng liền.
Dây siêu dẫn cũng rất mạnh, có thể truyền cùng một dòng điện như dây đồng rộng hơn nhiều lần trong khi tạo ra từ trường mạnh hơn.
Nam châm cũng có thể giúp các nhà khoa học tiếp tục thu nhỏ kích thước của tokamaks, cải thiện hiệu suất và giảm chi phí xây dựng.
Jon Menard, phó giám đốc nghiên cứu của PPPL cho biết: “Tokamaks rất nhạy cảm với các điều kiện ở khu vực trung tâm của chúng, bao gồm kích thước của nam châm trung tâm, hoặc điện từ, lớp che chắn và bình chân không. “Rất nhiều thứ phụ thuộc vào trung tâm.
Vì vậy, nếu bạn có thể thu nhỏ mọi thứ ở giữa, bạn có thể thu nhỏ toàn bộ máy và giảm chi phí, trong khi về lý thuyết, cải thiện hiệu suất.”
Những nam châm mới này tận dụng kỹ thuật do Zhai và các nhà nghiên cứu tại Công nghệ Dây dẫn Tiên tiến, Đại học Colorado, Boulder và Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia, ở Tallahassee, Florida cải tiến.
Kỹ thuật này có nghĩa là các dây dẫn không cần lớp cách điện epoxy và sợi thủy tinh thông thường để đảm bảo dòng điện chạy qua. Trong khi đơn giản hóa việc xây dựng, kỹ thuật này cũng làm giảm chi phí.
Zhai cho biết: “Chi phí để cuộn các cuộn dây thấp hơn nhiều vì chúng tôi không phải trải qua quá trình ngâm tẩm chân không epoxy đắt tiền và dễ xảy ra sai sót. “Thay vào đó, bạn đang trực tiếp cuộn dây dẫn thành dạng cuộn dây.”
Hơn nữa, “nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao có thể giúp thiết kế tokamak hình cầu vì mật độ dòng điện cao hơn và cuộn dây nhỏ hơn mang lại nhiều không gian hơn cho cấu trúc hỗ trợ giúp thiết bị chịu được từ trường cao, cải thiện điều kiện hoạt động”, Thomas Brown, kỹ sư PPPL cho biết. đã đóng góp cho nghiên cứu.
“Ngoài ra, các nam châm nhỏ hơn, mạnh hơn mang đến cho nhà thiết kế máy nhiều lựa chọn hơn để thiết kế tokamak hình cầu với hình học có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của tokamak. Chúng tôi chưa hoàn toàn đạt được điều đó nhưng chúng tôi đang tiến gần hơn và có thể đủ gần.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Nghiên cứu Đổi mới Doanh nghiệp Nhỏ và Nghiên cứu và Phát triển Chỉ đạo Phòng thí nghiệm).
