Was ist die kleinste Menge an He, die Sie verwenden können, um einen supraleitenden Magneten zu kühlen?

Das ist eine Ingenieursfrage, aber sie richtet sich an Physiker, die Beschleuniger bauen. Diese Frage: Ein elektromagnetischer Weltraumaufzug? bemerkt, dass ein supraleitender NbSn-Ring um den Äquator sich selbst in die Umlaufbahn bringen wird. Die Frage ist, ob es genug He gibt, um eine so massive Struktur zu kühlen.

Was ist die Mindestmenge an He, die erforderlich ist, um eine stabile Temperatur von 4 Grad sicher über einen langen zylindrischen Draht aufrechtzuerhalten? Ist es überhaupt notwendig, eine Flüssigkeit zu verwenden, oder kann man eine stabile Temperatur im He-Bereich in einem sehr langen Draht ohne flüssiges Kühlmittel stabil und sicher aufrechterhalten?

Antworten (1)

Diese Antwort ist nur eine Schätzung der Größenordnung. Die Hauptunsicherheit ergibt sich aus der Tatsache, dass bei konstantem Strom die Kühlleistung nicht durch den supraleitenden Draht bestimmt wird, sondern durch die Qualität der Isolation gegen Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung von wärmeren Teilen der Struktur zum kalten Draht bei 4,2 K

Wir können den LHC-Ring als Schätzung verwenden, wie viel Helium benötigt wird. Das CERN verwendet ungefähr 120 Tonnen flüssiges Helium, um einen Ring mit einem Umfang von 27 km zu kühlen. Um die Temperatur konstant zu halten werden 8 Kompressorstationen mit je 18kW Leistung eingesetzt.

Vergleicht man dies mit dem Durchmesser der Erde, kommen wir auf 177 777 Tonnen flüssiges Helium.

Genaue Schätzungen der weltweiten Heliumreserven sind nicht leicht verfügbar, daher könnte man die Daten für die USA als erste Vermutung verwenden. Die derzeit verfügbaren Reserven werden auf 147 Milliarden Kubikmeter geschätzt ( Wikipedia ). Da die Hauptquelle für Helium Erdgas ist, verfügen auch andere Gebiete der Welt über große Reserven, und dies ist nur eine Untergrenze.

Nun wird dieser Betrag umgerechnet:

M A S S H e = 147 ⋅ 10 9 M 3 ⋅ 0,18 k G / M 3 = 2.6 ⋅ 10 10 k G
Das ist viel mehr als die 1.7 ⋅ 10 8 k G notwendig für einen Ring mit ähnlichen Spezifikationen wie der LHC. Sie können die notwendige Menge durch den Einsatz von Pulsrohrkühlschränken stark reduzieren und die Vorgaben etwas lockern, indem Sie etwas höhere Temperaturen zulassen. Dann könnte die Leitung über das Metall selbst ausreichen, um den Draht zu kühlen, da NbSn-Drähte in Kupfer eingebettet sind.

Ich denke, das ist keine sehr gute Schätzung, da Ron nach einem Kabel fragt. Der LHC verfügt über 7600 Kilometer Supraleiterkabel ( lhc-closer.es/php/index.php?i=1&s=4&p=8&e=1 ) vergleichbar mit dem Erdradius (6.353 km), sodass ein Faktor von zwei pi fehlt Peripherie und für Ihre Heliumschätzung aus dem LHC-Helium etwa 700 Tonnen. das problem wären die container und die elektronik etc.
@annav: Ein dünner NbSn-Draht ist nur 0,006 mm dick, die Heliummenge zum Kühlen von 40000 km davon ist winzig, ein Standard-100-Liter-Dewar ist wahrscheinlich ausreichend, aber das ist sehr irreführend. Sie können den Draht nicht ohne die Vakuuminfrastruktur haben. Am Beispiel des größten Vakuumrings, den wir derzeit haben, scheint es also, als hätten wir mehr als genug Helium.
@Alexander: Diese Schätzung ist nicht so schlimm, Sie haben auch eine Schätzung für die He-Reserven gefunden, die ich nicht finden konnte. Der LHC minimiert auch nicht den He-Verbrauch, und dieses Ding wird etwa 10 Kabel mit jeweils vielen Metern Radius kühlen wollen. Aber die Schätzung ist nicht schlecht, denn wenn Sie es in Kühlmittel eintauchen, ist der Wärmeverlust oberflächlich und nicht massiv, daher ist eine Skalierung ungefähr richtig.
Was ist die kleinste Menge an He, die Sie verwenden können, um einen supraleitenden Magneten zu kühlen?
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