Un extenso estudio realizado en EE. UU. ha confirmado que los imanes fabricados a partir de superconductores de alta temperatura de óxido de cobre y bario de tierras raras (REBCO) son ideales para confinar plasma en futuros experimentos de fusión. El equipo demostró que los imanes son robustos y compactos, lo que los convierte en una opción práctica para futuros tokamaks como SPARC, que está siendo desarrollado por Commonwealth Fusion Systems (CFS) y el Plasma Science Fusion Center (PSFC) del MIT.

El estudio fue realizado por investigadores del CFS y del PSFC, quienes crearon nuevos instrumentos de diagnóstico para estudiar los imanes.

Un reactor de fusión tokamak utiliza campos magnéticos muy fuertes para confinar un plasma de hidrógeno dentro de su interior en forma de rosquilla. Esto permite calentar el plasma a temperaturas muy altas para que los núcleos de hidrógeno se fusionen, liberando grandes cantidades de energía. El objetivo final de la investigación del tokamak es obtener mucha más energía del plasma fusionado de la que se introduce, creando así una fuente de energía relativamente limpia.

Estos campos magnéticos se crean mediante electroimanes y, en los tokamaks existentes, se enrollan mediante cables fabricados a partir de un conductor convencional (cobre) o un superconductor de baja temperatura. Ambos enfoques tienen ventajas y limitaciones, por lo que los investigadores de la fusión están interesados ​​en explorar otras opciones de imanes. En particular, la mayoría de las tecnologías magnéticas existentes serían demasiado grandes y costosas para su uso en dispositivos de próxima generación que requerirán niveles de campo más altos.

Campos limitados

“Ya se han integrado imanes superconductores con un consumo de energía muy bajo en dispositivos de fusión a escalas suficientes”, explica Zach Hartwig en el MIT, quien dirigió el nuevo análisis. "Sin embargo, todos han utilizado superconductores que se limitaban a limitar la intensidad del campo magnético de aproximadamente 5 T". Incluso cuando esté confinado en estos campos, el plasma se escapará gradualmente.

Entre 2018 y 2021, una colaboración de investigadores del PSFC y del CFS desarrolló imanes REBCO con el objetivo de potenciar los campos confinantes, y el rendimiento del material fue muy prometedor.

"REBCO es capaz de producir campos magnéticos extremadamente altos y también puede transportar densidades de corriente eléctrica muy altas a temperaturas de hasta 20 K", explica Hartwig. "Esto conduce a una ingeniería y un rendimiento superiores en los imanes superconductores".

Ahora Hartwig y sus colegas informan sobre los resultados de una batería integral de pruebas del desempeño de REBCO como imán superconductor, utilizando instalaciones de prueba especialmente diseñadas en el MIT.

Casi el doble

Mediante experimentos realizados en septiembre de 2021, el material demostró un campo magnético máximo de más de 20 T. Esto es casi el doble de los campos más altos logrados anteriormente en otros imanes superconductores para aplicaciones similares.

Desde entonces, los investigadores han llevado a cabo más pruebas que llevaron un imán REBCO a límites extremos de su rendimiento, mientras analizaban su funcionamiento.

El equipo presenta ahora sus hallazgos en una serie de artículos en Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada. Proporcionan una descripción detallada de todos los componentes del imán y cómo se comportaron en campos elevados. El equipo de Hartwig ahora confía en que REBCO es adecuado para el propósito previsto.

"A pesar de las enormes cargas electromecánicas, el rendimiento eléctrico, térmico y estructural del imán se comportó exactamente como se diseñó en funcionamiento en estado estable", dice Hartwig. «Esto validó el modelado computacional avanzado desarrollado en el programa y confirmó experimentalmente que los imanes superconductores de alto campo son viables para la energía de fusión», añade.

Volumen mucho menor

Fundamentalmente, los experimentos demostraron que REBCO es capaz de sostener un campo de 12 T adecuado para el confinamiento de plasma dentro de un volumen entre 30 y 40 veces más pequeño que los dispositivos de fusión anteriores.

"La importante reducción de escala permitida por REBCO permitirá menores costos y cronogramas más rápidos para construir dispositivos de confinamiento magnético, así como una economía más favorable para las plantas de energía de fusión", explica Hartwig.

"Quizás lo más importante es que la escala reducida permite una transición crítica en la energía de fusión: pasar de programas científicos multinacionales financiados por el gobierno a empresas financiadas con fondos privados, impulsadas por una misión, centradas en comercializar una nueva fuente viable de energía sin emisiones de carbono", añade. .

Basándose en sus prometedores hallazgos, los equipos de PSFC y CFS ahora esperan que su análisis sirva como una guía valiosa para futuras investigaciones sobre la fusión: quizás acercando uno de los objetivos más esperados de la física a la realidad.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/rebco-high-temperature-superconductors-are-ideal-for-tokamak-magnets-study-suggests/