Magnetschmelzen verhindern, bevor sie beginnen können

Die Teilchenbeschleuniger, die die Hochenergiephysik ermöglichen und vielen Bereichen der Wissenschaft dienen, etwa der Material-, Medizin- und Fusionsforschung, werden von supraleitenden Magneten angetrieben, die vereinfacht gesagt ziemlich knifflig sind.

Supraleiter sind eine besondere Klasse von Materialien, die bei Abkühlung unter eine bestimmte Temperatur große elektrische Ströme ohne Widerstand leiten können. Wenn Sie das Material in Spulen anordnen, erzeugt der durchfließende Strom starke Magnetfelder, wodurch die potentielle Energie der sich bewegenden Elektronen effektiv in Form eines Magnetfelds gespeichert wird.

Aber wenn sie zu heiß werden – und mit heiß meinen wir nur wenige Grad über -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin) oder die Temperatur von flüssigem Helium –, können sie plötzlich ihren elektrischen Widerstand wiedererlangen und die Energie des Magnetfelds zerstreuen in einem schnellen Hitzestoß.

Ein neuerer Supraleitertyp, bekannt als Hochtemperatursupraleiter (HTS), steht kurz davor, eine weitere Revolution für Wissenschaft und Technologie einzuleiten. Diese Supraleiter haben das Potenzial, noch höhere Magnetfelder zu erzeugen und gleichzeitig bei Temperaturen zu arbeiten, die einfacher aufrechtzuerhalten sind als herkömmliche supraleitende Magnete.

Bei den neuen HTS-Materialien sind diese unerwünschten Erwärmungsvorgänge, sogenannte „Quenches“, besonders kostspielig, da sie den Magneten zerstören, benachbarte Komponenten beschädigen und erhebliche Mengen der wertvollen flüssigen Kühlmittel verbrauchen können, die zum Kühlen des Magneten verwendet werden. Aufgrund ihrer starken Eigenschaften sind diese Magnete derzeit ein heißes Forschungs- und Entwicklungsthema, ihr Schutz vor zerstörerischen Ereignissen stellt jedoch eine große Hürde für ihre breite Anwendung dar.

Die beste Lösung wäre, HTS-Magnete zu entwickeln, die gar nicht erst aushärten.

Daran arbeiten Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Maxim Marchevsky und Soren Prestemon von der Abteilung Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) haben eine Strategie entwickelt, um Bedingungen zu identifizieren, unter denen HTS-Magnete sicher arbeiten können, ohne dass das Risiko eines plötzlichen Hitzestaus besteht, der zum Ausfall des Magneten führt.

„Das ähnelt in gewisser Weise der Konstruktion eines Flugzeugs, das bei einem Triebwerksausfall eine sichere Landung ermöglicht, im Gegensatz dazu, das Flugzeug so zu konstruieren, dass es einen Absturz übersteht“, sagte Prestemon, stellvertretender Technologiedirektor der ATAP-Abteilung. Ihre Arbeit war kürzlich veröffentlicht in Supraleiterwissenschaft und -technologie.

Da HTS-Magnete eine höhere Stromdichte und einen größeren Temperaturbereich tolerieren und dennoch als Supraleiter fungieren, sind sie weniger anfällig für Auslöschungen als ihre Niedertemperatur-Gegenstücke. Allerdings ist es bei HTS-Magneten schwieriger, einen bevorstehenden Quench zu erkennen, da die supraleitenden Eigenschaften in sehr kleinen Taschen des Materials abschalten.

Dies bedeutet, dass die enorme magnetische Energie der Spule auf einer kleinen Fläche in Wärme umgewandelt wird, wodurch die Temperatur an dieser Stelle schnell in die Extreme ansteigt.

Ein solcher Verlust der Supraleitung wird typischerweise dadurch verursacht, dass der Strom die Kapazität des Supraleiters überschreitet, beispielsweise aufgrund von Unvollkommenheiten in der Materialstruktur oder durch erhöhte Hitze, die entweder durch eine Fehlfunktion des Kühlsystems oder einen Aufprall auf den Magneten durch fehlerhafte schnelle Bewegung verursacht wird Partikel aus dem Beschleuniger oder Fusionsreaktor. In jedem Fall ist die daraus resultierende Löschung schwieriger zu überwachen und kann schneller den Punkt erreichen, an dem es kein Zurück mehr gibt, als bestehende Schadensbegrenzungssysteme aktiviert werden können.

Glücklicherweise haben mehrere Jahrzehnte HTS-Forschung und -Entwicklung gezeigt, dass diese Materialien einen geringfügigen Wärmeaufbau vertragen, aber im Supraleitermodus bleiben. Mit diesem Wissen erkannten Marchevsky und Prestemon, dass sie ein Fenster von Betriebsparametern berechnen konnten, in dem der HTS-Leiter arbeiten kann, ohne jemals außer Kontrolle zu geraten und in einen Quench zu geraten.

„Aus diesem Grund können wir das Problem tatsächlich anders angehen. Wir können nach einem Anzeichen von Hitze irgendwo im Magneten suchen, und wenn wir es früh genug erkennen, können wir den Strom sicher herunterfahren, ohne den Magneten tatsächlich zu löschen“, sagte Marchevsky , ein angestellter Physiker bei ATAP.

Die theoretische Arbeit der Wissenschaftler wurde durch Experimente validiert, bei denen bandförmige Proben aus Bi-2223 HTS-Material (einer Verbindung aus Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff) verwendet wurden, die in einer Umgebung, in der es zu geringfügigen Temperaturschwankungen kommen konnte, mit hohem Strom versorgt wurden erkannt und mit den numerischen Vorhersagen verglichen.

Der nächste Schritt besteht darin, ihren Ansatz an tatsächlichen Spulen zu testen, die mit HTS-Leitermaterial umwickelt sind, um die Form nachzubilden, die sie in Teilchenbeschleunigern und Geräten wie MRT-Geräten annehmen würden.

Um den Zustand vor dem Abschrecken in diesen Spulen erfolgreich zu erkennen, planen die Wissenschaftler den Einsatz hochempfindlicher Temperaturüberwachungssysteme, die von ihnen selbst und ihren Kollegen von ATAP entwickelt wurden, einer Gruppe mit umfassender Expertise in der Grundlagenforschung und angewandten Beschleunigermagnetwissenschaft.

„Es wird einige Herausforderungen geben, weil wir eine verteilte Temperaturmessung benötigen, aber daran haben wir in den letzten Jahren ziemlich viel gearbeitet“, sagte Marchevsky. Er stellte fest, dass herkömmliche Quench-Erkennungssysteme für Niedertemperaturmagnete den Widerstand über den gesamten Magneten hinweg überwachen, was bei HTS-Magneten nicht gut funktioniert. „Verschiedene neue Techniken werden untersucht und in unsere realen Prototyp-Magnete integriert.“

Zu ihren Techniken gehören ultraschallbasierte, hochfrequenzbasierte und faseroptische Sensorsysteme. Der letztgenannte Ansatz ist der Hauptkandidat für den Einsatz in experimentellen Plasmafusionsenergiereaktoren, die eine der ersten realen Anwendungen von HTS-Magneten sind, die sich abzeichnen. Plasmafusionsreaktoren benötigen leistungsstarke Magnete, um Gemische überhitzter geladener Teilchen auf kleinem Raum einzuschließen, und HTS-Magnete scheinen vielversprechend, um einen Durchbruch auf diesem Gebiet zu ermöglichen.

Marchevsky und Prestemon hoffen, dass verteilte Temperatursysteme, die den gesamten Magneten überwachen, die Betreiber warnen können, wenn sich eine Region dem oberen Ende des sicheren Temperaturfensters nähert. Dann kann der dem Magneten zugeführte Strom reduziert und eine Löschung vermieden werden.

Im Erfolgsfall könnte der Ansatz eine weit verbreitete Einführung von HTS-Magneten ermöglichen, was letztendlich zu viel höheren Magnetfeldern und Magnetsystemen führen würde, deren Wartung kostengünstiger ist als bei ihren Niedertemperatur-Gegenstücken. Diese Einsparungen würden dazu beitragen, die Kosten aller beschleunigergetriebenen Forschungen zu senken und das Mondziel der Fusionsenergie zu erreichen.

„Die Grundlagenforschung und die Präzisionsdiagnostik, die in dieser Arbeit kombiniert werden, veranschaulichen die beispiellosen Fähigkeiten von ‚Mesoscale to Magnet‘, die das Labor in die Entwicklung von Hochtemperatursupraleitern als transformative Technologien für Beschleuniger, Fusion und Anwendungen einbringt“, sagte Cameron Geddes, ATAP Abteilungsleiter.