Evitando colapsos magnéticos antes que eles possam começar

Uma placa experimental contendo um material HTS supercondutor em forma de fita chamado Bi-2223 e um aquecedor controlado é usada para testar o conceito de proteção magnética baseado em fuga térmica. Crédito:Marilyn Sargent/Berkeley Lab

Os aceleradores de partículas que permitem a física de alta energia e atendem a muitos campos da ciência, como materiais, medicina e pesquisa de fusão, são movidos por ímãs supercondutores que são, para simplificar, bastante meticulosos.

Os supercondutores são uma classe especial de materiais que, quando resfriados abaixo de uma determinada temperatura, transportam grandes correntes elétricas sem resistência. Se você organizar o material em bobinas, a corrente que passa produzirá fortes campos magnéticos, armazenando efetivamente a energia potencial dos elétrons em movimento na forma de um campo magnético.

Mas se ficarem muito quentes - e por quentes, queremos dizer apenas alguns graus acima de -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), ou a temperatura do hélio líquido - eles podem recuperar repentinamente sua resistência elétrica e dissipar a energia do campo magnético em uma rápida explosão de calor.

Um novo tipo de supercondutor, conhecido como supercondutores de alta temperatura (HTS), está prestes a inaugurar outra revolução para a ciência e a tecnologia. Esses supercondutores têm o potencial de produzir campos magnéticos ainda mais elevados enquanto operam em temperaturas mais fáceis de manter do que os ímãs supercondutores tradicionais.

Nos novos materiais HTS, esses eventos de aquecimento indesejados, conhecidos como "extinções", são particularmente caros, pois podem destruir o ímã, danificar componentes próximos e esgotar volumes significativos dos preciosos refrigerantes líquidos usados para resfriar o ímã. Devido às suas poderosas propriedades, esses ímãs são um tema quente de pesquisa e desenvolvimento atualmente, mas protegê-los de eventos destrutivos é um grande obstáculo para sua ampla aplicação.

A melhor solução seria projetar ímãs HTS que não tenham resfriamento.

É nisso que os pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) estão trabalhando.

Maxim Marchevsky e Soren Prestemon da Divisão de Tecnologia de Aceleradores e Física Aplicada (ATAP) desenvolveram uma estratégia para identificar condições sob as quais os ímãs HTS podem operar com segurança sem o risco de um aumento repentino de calor causando a falha do ímã.

“Isso é algo semelhante a projetar um avião para permitir um pouso seguro em caso de falha do motor, em vez de projetar o avião para sobreviver a um acidente”, disse Prestemon, que é vice-diretor de tecnologia da Divisão ATAP. O trabalho deles foi publicado recentemente na Superconductor Science and Technology .

Como os ímãs HTS podem tolerar maior densidade da corrente elétrica e uma faixa mais ampla de temperaturas, embora ainda atuem como supercondutores, eles são menos propensos a têmpera do que seus equivalentes de baixa temperatura. No entanto, detectar uma extinção próxima é mais difícil em ímãs HTS porque as propriedades supercondutoras são desligadas em bolsões muito pequenos do material.

Isso significa que a enorme energia magnética da bobina é convertida em calor em uma pequena área, fazendo com que a temperatura suba rapidamente a extremos naquele local.

Tal perda na supercondutividade é normalmente causada pela corrente que ultrapassa a capacidade do supercondutor, por exemplo, devido a imperfeições na estrutura do material ou pelo aumento do calor causado por um mau funcionamento do sistema de resfriamento ou por um impacto no ímã por movimento rápido errante. partículas do acelerador ou reator de fusão. De qualquer forma, a extinção resultante é mais difícil de monitorizar e pode atingir o ponto sem retorno mais rapidamente do que os sistemas de mitigação existentes podem ser activados.

Felizmente, várias décadas de pesquisa e desenvolvimento de HTS revelaram que estes materiais podem tolerar um pequeno acúmulo de calor, mas permanecem no modo supercondutor. Usando esse conhecimento, Marchevsky e Prestemon perceberam que poderiam calcular uma janela de parâmetros operacionais na qual o condutor HTS funcionaria sem nunca sair do controle e se transformar em uma têmpera.

"Por causa disso, podemos realmente resolver o problema de forma diferente. Podemos procurar um sinal de calor em algum lugar do ímã e, se o detectarmos cedo o suficiente, podemos reduzir a corrente com segurança, sem realmente extinguir o ímã", disse Marchevsky. , físico da equipe da ATAP.

O trabalho teórico dos cientistas foi validado com experimentos usando amostras em forma de fita de material Bi-2223 HTS (um composto de bismuto, estrôncio, cálcio, cobre e oxigênio) que foram fornecidas com alta corrente em um ambiente onde pequenas flutuações de temperatura poderiam ser detectado e comparado com as previsões numéricas.

O próximo passo será testar sua abordagem em bobinas reais enroladas com material condutor HTS para replicar a forma que assumiriam dentro de aceleradores de partículas e dispositivos como máquinas de ressonância magnética.

Para detectar com sucesso o estado de pré-extinção nessas bobinas, os cientistas planejam usar sistemas de monitoramento de temperatura altamente sensíveis desenvolvidos por eles próprios e por seus colegas da ATAP, um grupo com profundo conhecimento em ciência fundamental e aplicada de ímãs aceleradores.

“Haverá alguns desafios porque precisamos de medições distribuídas de temperatura, mas isso é algo em que temos trabalhado bastante nos últimos anos”, disse Marchevsky. Ele observou que os sistemas tradicionais de detecção de extinção para ímãs de baixa temperatura monitoram a resistência através do ímã, o que não funciona bem para ímãs HTS. "Várias novas técnicas estão sendo investigadas e incorporadas em nossos protótipos reais de ímãs."

Suas técnicas incluem sistemas de sensores baseados em ultrassom, radiofrequência e fibra óptica. A última abordagem é a principal candidata para uso em reatores experimentais de energia de fusão de plasma, que são uma das primeiras aplicações no mundo real de ímãs HTS no horizonte. Os reatores de fusão de plasma precisam de ímãs poderosos para confinar misturas de partículas carregadas superaquecidas em um espaço pequeno, e os ímãs HTS parecem promissores para permitir um avanço neste campo.

Marchevsky e Prestemon esperam que os sistemas de temperatura distribuída que monitoram todo o ímã sejam capazes de alertar os operadores se alguma região estiver se aproximando do limite superior da janela de temperatura segura. Então, a corrente fornecida ao ímã pode ser reduzida e a extinção evitada.

Se for bem-sucedida, a abordagem poderá permitir a adoção generalizada de ímãs HTS, levando, em última análise, a campos magnéticos muito mais elevados e a sistemas magnéticos que são mais baratos de manter do que seus equivalentes de baixa temperatura. Essas economias ajudariam a reduzir os custos de todas as pesquisas conduzidas por aceleradores e ajudariam no objetivo lunar da energia de fusão.

"A ciência fundamental e o diagnóstico de precisão combinados neste trabalho exemplificam o conjunto incomparável de capacidades de 'mesoescala para ímã' que o laboratório traz para a busca por supercondutores de alta temperatura como tecnologias transformadoras em aceleradores, fusão e aplicações", disse Cameron Geddes, ATAP Diretor de Divisão.

Mais informações: M Marchevsky et al, Critério de fuga térmica como base para a proteção de ímãs supercondutores de alta temperatura, Ciência e Tecnologia de Supercondutores (2024). DOI:10.1088/1361-6668/ad20fe
Fornecido pelo Laboratório Nacional Lawrence Berkeley

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