Les aimants supraconducteurs à haute température ont le potentiel de réduire les coûts d’exploitation des accélérateurs de particules et de permettre de nouvelles systems puissantes comme les réacteurs à fusion. Mais les trempes – les événements soudains et destructeurs au cours desquels une partie du matériau perd sa supraconductivité – constituent un impediment majeur à leur déploiement. Les scientifiques du Berkeley Lab ont développé une approche pour empêcher complètement les extinctions, plutôt que d'essayer simplement de les gérer une fois qu'elles se sont produites.
Les accélérateurs de particules qui permettent la physique des hautes énergies et servent dans de nombreux domaines scientifiques, tels que la recherche sur les matériaux, la médecine et la fusion, sont pilotés par des aimants supraconducteurs qui sont, pour le dire simplement, assez capricieux.
Les supraconducteurs constituent une classe particulière de matériaux qui, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température, transportent des courants électriques importants sans résistance. Si vous disposez le matériau en bobines, le courant qui le traverse produira de puissants champs magnétiques, stockant efficacement l’énergie potentielle des électrons en mouvement sous forme de champ magnétique. Mais s'ils deviennent trop chauds – et par chaud, nous entendons seulement quelques degrés au-dessus de -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), ou la température de l'hélium liquide – ils peuvent soudainement retrouver leur résistance électrique et dissiper l'énergie du champ magnétique. dans une explosion de chaleur rapide.
Un type additionally récent de supraconducteurs, appelés supraconducteurs à haute température (HTS), est sur le place d’inaugurer une autre révolution pour la science et la technologie. Ces supraconducteurs ont le potentiel de produire des champs magnétiques encore plus élevés tout en fonctionnant à des températures moreover faciles à maintenir que les aimants supraconducteurs traditionnels.
Dans les nouveaux matériaux HTS, ces échauffements indésirables, appelés « trempes », sont particulièrement coûteux, automobile ils peuvent détruire l'aimant, endommager les composants voisins et épuiser des volumes importants des précieux liquides de refroidissement utilisés pour refroidir l'aimant. En raison de leurs propriétés puissantes, ces aimants constituent actuellement un sujet brûlant de recherche et de développement, mais les protéger des événements destructeurs constitue un obstacle majeur à leur significant software. La meilleure option serait de concevoir des aimants HTS qui ne s’éteignent pas.
C’est sur cela que travaillent les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).
Maxim Marchevsky et Soren Prestemon de la division ATAP (Technologie des accélérateurs et physique appliquée) ont développé une stratégie pour identifier les circumstances dans lesquelles les aimants HTS peuvent fonctionner en toute sécurité sans risque d'accumulation soudaine de chaleur provoquant une défaillance de l'aimant.
« Cela revient un peu à concevoir un avion pour permettre un atterrissage en toute sécurité en cas de panne moteur, par opposition à concevoir l'avion pour survivre à un crash », a déclaré Prestemon, directeur adjoint de la technologie pour la division ATAP. Leurs travaux ont été publiés récemment dans Superconductor Science and Technology.
Étant donné que les aimants HTS peuvent tolérer une densité de courant électrique as well as élevée et une plage de températures furthermore massive tout en agissant comme supraconducteur, ils sont moins sujets à la trempe que leurs homologues à basse température. Cependant, la détection d'une trempe imminente est in addition difficile dans les aimants HTS automobile les propriétés supraconductrices s'éteignent dans de très petites poches du matériau. Cela signifie que l’énorme énergie magnétique de la bobine est convertie en chaleur sur une petite zone, provoquant une augmentation rapide de la température jusqu’à des extrêmes à cet endroit.
Une telle perte de supraconductivité est généralement causée par le courant dépassant la capacité du supraconducteur, par exemple en raison d'imperfections dans la construction du matériau, ou par une augmentation de la chaleur provoquée soit par un dysfonctionnement du système de refroidissement, soit par un impression sur l'aimant par un mouvement rapide et erratique. particules provenant de l'accélérateur ou du réacteur de fusion. Quoi qu’il en soit, l’extinction qui en résulte est moreover difficile à surveiller et peut atteindre le point de non-retour furthermore rapidement que les systèmes d’atténuation existants ne peuvent être activés.
Heureusement, plusieurs décennies de recherche et de développement HTS ont révélé que ces matériaux peuvent tolérer une légère accumulation de chaleur tout en restant en manner supraconducteur. Grâce à ces connaissances, Marchevsky et Prestemon ont réalisé qu'ils pouvaient calculer une fenêtre de paramètres opérationnels dans laquelle le conducteur HTS fonctionnerait sans jamais devenir incontrôlable et se transformer en extinction.
« Grâce à cela, nous pouvons réellement résoudre le problème différemment. Nous pouvons rechercher un signe de chaleur quelque aspect dans l'aimant, et si nous le détectons suffisamment tôt, nous pouvons réduire le courant en toute sécurité sans réellement éteindre l'aimant », a déclaré Marchevsky. physicien à l'ATAP.
Le travail théorique des scientifiques a été validé par des expériences utilisant des échantillons en forme de ruban de matériau Bi-2223 HTS (un composé de bismuth, de strontium, de calcium, de cuivre et d'oxygène) qui ont été alimentés en courant élevé dans un environnement où d'infimes fluctuations de température pourraient être observées. détectés et comparés aux prédictions numériques. La prochaine étape consistera à tester leur approche sur des bobines réelles enroulées avec un matériau conducteur HTS afin de reproduire la forme qu'elles prendraient dans des accélérateurs de particules et des dispositifs tels que les equipment IRM.
Pour détecter avec succès l'état de pré-trempe dans ces bobines, les scientifiques prévoient d'utiliser des systèmes de surveillance de la température hautement sensibles développés par eux-mêmes et leurs collègues de l'ATAP, un groupe possédant une abilities approfondie dans la science fondamentale et appliquée des aimants d'accélérateur. « Il y aura quelques défis motor vehicle nous devons disposer d'une mesure distribuée de la température, mais c'est quelque selected sur lequel nous avons beaucoup travaillé ces dernières années », a déclaré Marchevsky. Il a noté que les systèmes traditionnels de détection de trempe pour les aimants à basse température surveillent la résistance aux bornes de l'aimant, ce qui ne fonctionne pas bien pour les aimants HTS. « Diverses nouvelles methods sont étudiées et intégrées dans nos véritables prototypes d'aimants. »
Leurs methods comprennent des systèmes de capteurs à ultrasons, à radiofréquence et à fibre optique. Cette dernière approche est la principale prospect à une utilisation dans les réacteurs expérimentaux à énergie de fusion à plasma, qui constituent l’une des premières programs réelles des aimants HTS à l’horizon. Les réacteurs à fusion plasma nécessitent des aimants puissants pour confiner les mélanges de particules chargées surchauffées dans un espace réduit, et les aimants HTS semblent prometteurs pour permettre une percée dans ce domaine.
Marchevsky et Prestemon espèrent que les systèmes de température distribués surveillant l'ensemble de l'aimant seront en mesure d'alerter les opérateurs si une région s'approche de l'extrémité supérieure de la fenêtre de température de sécurité. Le courant délivré à l'aimant peut alors être réduit et l'extinction évitée.
En cas de succès, l’approche pourrait permettre une adoption généralisée des aimants HTS, conduisant à terme à des champs magnétiques beaucoup moreover élevés et à des systèmes magnétiques moins coûteux à entretenir que leurs homologues à basse température. Ces économies contribueraient à réduire les coûts de toutes les recherches basées sur les accélérateurs et contribueraient à l’objectif ambitieux de l’énergie de fusion.
« La science fondamentale et les diagnostics de précision combinés dans ce travail illustrent l'ensemble sans précédent de capacités « méso-échelle à aimant » que le laboratoire apporte à la recherche de supraconducteurs à haute température en tant que systems de transformation dans les accélérateurs, la fusion et les purposes », a déclaré Cameron Geddes, directeur de la division ATAP..
Ce travail a été soutenu par le programme de développement d’aimants du Bureau de physique des hautes énergies du Département américain de l’énergie.
