Een technisch verhaal...

Tijd om eens wat te schrijven over mijn daadwerkelijke stageopdracht:

___
Samenvatting: voor sterke magneetvelden zijn supergeleidende magneten nodig; dit zijn magneten die alleen werken als ze heel koud zijn. Mijn opdracht is om een experimentele set-up te ontwerpen, bouwen en testen die kan kijken hoe stabiel een supergeleider is onder temperatuurschomelingen als functie van magneetveld, stroomsterkte en achtergrondtemperatuur.

Voor mijn master Applied Physics moet ik 20 EC (~13 weken) stage lopen. Hiervoor blijf ik 18 weken (iets langer dus) in Hefei, bij het Institute of Plasma Physics (ASIPP). Dit onderzoeksinstituut is hoofdzakelijk gericht op kernfusie; dit is het omgekeerde van kernsplitsing (waar huidige kernreactors op gebaseerd zijn) en is het proces wat ook in de zon plaatsvindt.

Kernfusie kan een schone, duurzame energiebron van de toekomst zijn, maar de technologische uitdagingen zijn enorm. In 2007 is in Frankrijk begonnen met de bouw van de ITER centrale; volgens de planning gaat dit rond 2027 de eerste rendabele kernfusiecentrale worden. Dit is een groot internationaal project dat vele miljarden kost (20 miljard euro of zo). De UT werkt hier ook aan mee; dit is een reden dat de internationale contacten tussen ASIPP en UT heel goed zijn.

Hier in Hefei hebben ze hun eigen ("kleine") kernfusiereactor ,EAST, om belangrijke ideen voor ITER te kunnen testen (ik werk in het gebouw naast de reactor). Je moet bij zo een reactor denken aan een zon in klein; de temperatuur binnenin (van het "plasma") is miljoenen graden! Omdat er geen materiaal bestaat dat dit plasma kan insluiten moet er gebruik gemaakt worden van sterke magneetvelden.

Na deze lange introductie komen we dan in de buurt van mijn daadwerkelijke opdacht: deze sterke magneten worden gemaakt van "supergeleiders". Supergeleiders zijn materialen die geen elektrische weerstand hebben wanneer ze maar genoeg afgekoeld zijn (-200 C minstens). Dit fenomeen is in 1911 in Leiden door Heike Kamerlingh Onnes ontdekt (bij onderzoek op lood). Nu is het voordeel van deze supergeleiders dat er geen "Ohmse verliezen" optreden (een gloeilamp wordt bijvoorbeeld warm en gaat licht geven door de verliezen, dus ook niet altijd ongewenst). Een nadeel is dat ze alleen werken als je ze afkoelt, wat ook energie kost.

De meest voorkomende toepassing van supergeleidende magneten is in MRI scanners in het ziekenhuis; ooit geweten dat het in de behuizing -269 C is? Andere toepassingen zijn "big science" deeltjesversnellers en kernfusiereactors.

Je moet deze supergeleiders dus afkoelen, wat je liever niet zou hoeven doen. Daarom wordt er gewerkt om hoge temperatuur supergeleiders (met "hoger" wordt "minder laag" bedoeld ;) ) geschikt te maken voor praktische toepassingen. Dit zijn exotische materialen als BSCCO en YBCO.

Zo een supergeleider kan je niet zo maar benutten op de hoogste temperatuur dat deze nog supergeleidend is: je kan er dan veel minder stroom doorheen sturen. Ook het magneetveld is van invloed. Je moet dus een compromis sluiten wat betreft de temperatuur waarop je de supergeleider wilt laten werken.

Een belangrijke vraag is hoe stabiel je supergeleider is onder temperatuurschomelingen. De overgang van de supergeleidende toestand naar de "normale" resistieve toestand is namelijk zeer abrupt. Als een bepaald gebied van de supergeleider eenmaal in de normale toestand is kan dit gebied zich uitbreiden waardoor de temperatuur lokaal zeer hoog kan worden. Hierdoor kan de boel doorbranden. Een ander gevaar zit in het koelmiddel: supergeleidende magneten worden meestal gekoeld met vloeibaar helium (4K) of stikstof (77K). Wanneer de vloeistof warmte opneemt van de supergeleider verdampt het en neemt de druk enorm toe, wat een explosie als gevolg kan hebben. Dit noemen we een "quench". Dit is bijvoorbeeld is het CERN gebeurd in 2008 en heeft vele miljoenen gekost.

Nu is mijn taak om een opstelling te ontwerpen, maken en testen waarmee supergeleiders getests kunnen worden op stabiliteit. Bij de UT hebben we al zo een opstelling. Momenteel is het ontwerp klaar en kunnen de eerste onderdelen gemaakt worden. Dat ik de afgelopen tijd als bijbaantje in het lab van mijn vakgroep op de UT heb gewerkt heeft met zeker geholpen; toch mooi praktische ervaring opgedaan :).

Wat een lang verhaal, iedereen is vast de draad kwijt, haha