Kleinere, stärkere Magnete könnten Geräte verbessern, die die Fusionskraft von Sonne und Sternen nutzen

Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben einen Weg gefunden, leistungsstarke Magnete zu bauen, die kleiner als zuvor sind, und so die Konstruktion und den Bau von Maschinen zu unterstützen, die der Welt helfen könnten, die Kraft der Sonne zur Stromerzeugung zu nutzen ohne Treibhausgase zu produzieren, die zum Klimawandel beitragen.

Die Wissenschaftler fanden einen Weg, Hochtemperatur-Supraleitermagnete zu bauen, die aus einem Material bestehen, das Elektrizität bei Temperaturen, die höher als zuvor sind, mit geringem oder gar keinem Widerstand leitet. Solch starke Magnete würden leichter in den engen Raum im Inneren von kugelförmigen Tokamaks passen, die eher wie ein entkernter Apfel als die Donut-ähnliche Form herkömmlicher Tokamaks geformt sind und als mögliches Design für zukünftige Fusionskraftwerke untersucht werden.

Da die Magnete getrennt von anderen Maschinen im zentralen Hohlraum des kugelförmigen Tokamaks positioniert werden konnten, um das heiße Plasma einzuschließen, das die Fusionsreaktionen antreibt, konnten die Forscher sie reparieren, ohne etwas anderes auseinandernehmen zu müssen.

„Dazu braucht man einen Magneten mit einem stärkeren Magnetfeld und einer kleineren Größe als aktuelle Magnete“, sagte Yuhu Zhai, leitender Ingenieur bei PPPL und Hauptautor eines Artikels, der über die Ergebnisse berichtet IEEE-Transaktionen zur angewandten Supraleitung. „Das geht nur mit supraleitenden Drähten, und das haben wir gemacht.“

Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, verbindet leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht –, das riesige Mengen an Energie erzeugt. Wissenschaftler versuchen, die Fusion auf der Erde zu replizieren, um eine praktisch unerschöpfliche Versorgung mit sicherer und sauberer Energie zur Stromerzeugung zu erreichen.

Hochtemperatur-Supraleiter-Magnete haben gegenüber Kupfer-Magneten mehrere Vorteile. Sie können länger eingeschaltet werden als Kupfermagnete, weil sie sich nicht so schnell aufheizen, was sie besser für den Einsatz in zukünftigen Fusionskraftwerken geeignet macht, die monatelang am Stück laufen müssen. Supraleitende Drähte sind ebenfalls leistungsstark und können die gleiche Menge an elektrischem Strom übertragen wie ein um ein Vielfaches breiterer Kupferdraht, während sie ein stärkeres Magnetfeld erzeugen.

Die Magnete könnten Wissenschaftlern auch helfen, die Größe von Tokamaks weiter zu verkleinern, die Leistung zu verbessern und die Baukosten zu senken. „Tokamaks reagieren empfindlich auf die Bedingungen in ihren zentralen Regionen, einschließlich der Größe des zentralen Magneten oder Solenoids, der Abschirmung und des Vakuumbehälters“, sagte Jon Menard, stellvertretender Forschungsdirektor von PPPL. „Vieles hängt vom Zentrum ab. Wenn Sie also die Dinge in der Mitte verkleinern können, können Sie die gesamte Maschine verkleinern und die Kosten senken, während Sie theoretisch die Leistung verbessern.“

Diese neuen Magnete nutzen eine von Zhai und Forschern von Advanced Conductor Technologies, der University of Colorado, Boulder, und dem National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida, verfeinerte Technik. Die Technik bedeutet, dass die Drähte keine herkömmliche Epoxid- und Glasfaserisolierung benötigen, um den Stromfluss sicherzustellen. Während die Konstruktion vereinfacht wird, senkt die Technik auch die Kosten. „Die Kosten für das Wickeln der Spulen sind viel geringer, da wir den teuren und fehleranfälligen Vakuumimprägnierungsprozess mit Epoxid nicht durchlaufen müssen“, sagte Zhai. „Stattdessen wickelt man den Leiter direkt in die Spulenform.“

Darüber hinaus „können supraleitende Hochtemperaturmagnete das kugelförmige Tokamak-Design unterstützen, da die höhere Stromdichte und die kleineren Wicklungen mehr Platz für die Stützstruktur bieten, die dem Gerät hilft, den hohen Magnetfeldern standzuhalten und die Betriebsbedingungen zu verbessern“, sagte Thomas Brown, ein PPPL-Ingenieur, der zur Recherche beigetragen. „Außerdem geben die kleineren, stärkeren Magneten dem Maschinenkonstrukteur mehr Möglichkeiten, einen kugelförmigen Tokamak mit einer Geometrie zu entwerfen, die die Gesamtleistung des Tokamaks verbessern könnte. Wir sind noch nicht ganz am Ziel, aber wir sind näher dran, und vielleicht nah genug.“