Revolutionaire vezel-optische temperatuursensoren kunnen betrouwbare werking van fusie-energiecentrales garanderen

De achtervolging van fusie als een veilige, koolstof-vrije, always-on energiebron heeft in recentere jaren geintensifeerd, met een aantal organisaties die agressieve tijdlijnen nastreven voor technologie-demonstraties en energiecentaalontwerpen. Nieuwe generatie supergeleidende magneten zijn een kritieke enabler voor veel van deze programma's, wat een groeiende behoefte creëert aan sensoren, besturingen, en andere infrastructuur die de magneten toestaan betrouwbaar te opereren in de harde omstandigheden van een commerciële fusie-energiecentrale.

Een collaboratieve groep geleid door Department of Nuclear Science and Engineering (NSE) doctoraal student Erica Salazar maakte recent een stap voorwaarts in dit gebied met een veelbelovende nieuwe methode voor snelle detectie van een verstorende abnormaliteit, quench, in krachtige high-temperature supergeleidende (HTS) magneten. Quench treedt op wanneer een deel van een magneetspoel uit een supergeleidende toestand, waar het geen elektrische weerstand heeft, overgaat in een normale weerstandstoestand. Dit zorgt ervoor dat de massive stroom door de spoel, en opgeslagen energie in de magneet, snel in warmte omgezet wordt, en potentiëel ernstige interne schade aan de spoel kan veroorzaken.

Terwijl quench een probleem is voor alle systemen die supergeleidende magneten gebruiken, is Salazar's team gericht op het voorkomen ervan in energiecentrales gebaseerd op magnetische-inperking fusie-apparaten. Deze typen fusie-apparaten, bekend als tokamaks, zullen een plasma handhaven bij extrem hoge temperatuur, vergelijkbaar met de kern van een ster, waar fusie kan plaatsvinden en netto-positieve energie-output kan genereren. Geen fysiek materiaal kan die temperaturen aan, dus magnetische velden worden gebruikt om het plasma in te sluiten, te controleren, en te isoleren. De nieuwe HTS-magneten laten de toroidale (donut-vormige) magnetische inperking van de tokamak zowel sterker als compacter zijn, maar onderbrekingen in het magnetische veld door quench zouden het fusieproces stoppen — vandaar het belang van verbeterde sensor- en besturingscapaciteiten.

Met dit in gedachten, zocht Salazar's groep een manier om temperatuurveranderingen in de supergeleiders snel te detecteren, wat nascente quench-incidenten kan aangeven. Hun testbed was een nieuwe supergeleidende kabel ontwikkeld in het SPARC-programma bekend als VIPER, die assemblages van dunne staalband gecoat met HTS-materiaal omvat, gestabiliseerd door een koperen former en gejastricht in koper en roestvrij staal, met een centrale kanaal voor cryogene koeling. Spieren van VIPER kunnen magnetische velden twee-tot-drie keer sterker genereren dan de oudere-generatie low-temperature supergeleidende (LTS) kabel; dit vertaalt zich in aanzienlijk hogere fusie-uitgangsvermogen, maar maakt ook de energiedichtheid van het veld hoger, wat meer nadruk legt op quench-detectie om de spoel te beschermen.

Salazar's team, zoals het gehele SPARC-onderzoeks- en ontwikkelingsinspanning, benaderde haar werk met een focus op eventuele commercialisatie, bruikbaarheid, en gemak van fabricage, met een oog op het versnellen van fusie's haalbaarheid als energiebron. Haar achtergrond als werktuigbouwkundig ingenieur bij General Atomics tijdens productie en testen van LTS-magneten voor de internationale ITER-fusiefaciliteit in Frankrijk gaf haar perspectief op sensortechnologieën en de kritieke design-naar-productie overgang.

Een veelbelovende alternatief was temperatuurmeting met behulp van optische vezels ingeschreven met micro-patronen bekend als fiber Bragg gratings (FBGs). Wanneer breedbandlicht op een FBG gericht wordt, passeert het grootste deel van het licht, maar één golflengte (bepaald door de spacing, of periode, van het grating-patroon) wordt gereflecteerd. De gereflecteerde golflengte varieert licht met zowel temperatuur als spanning, dus plaatsing van een reeks gratings met verschillende perioden langs de vezel stelt onafhankelijke temperatuurmonitoring van elke locatie toe.

Terwijl FBGs benut zijn over veel verschillende industrieën voor meting van spanning en temperatuur, inclusief op veel kleinere supergeleidende kabels, waren ze niet gebruikt op grotere kabels met hoge stroomdichtheden als VIPER. "VIPER-kabel was goed aangepast voor deze benadering, merkt Salazar op, vanwege zijn stabiele structuur, ontworpen om de intense elektrische, mechanische, en elektromagnetische stresses van een fusiemagneetomgeving te weerstaan.

Een nieuwe optie werd geboden door het RPI-team in de vorm van ultra-lange fiber Bragg gratings (ULFBGs) — een reeks van 9-millimeter FBGs op 1 mm afstand. Deze gedragen zich essential als één lange quasi-continue FBG, maar met het voordeel dat de gecombineerde grating-lengte meters lang kan zijn in plaats van millimeters. Terwijl conventionele FBGs temperatuurveranderingen op gelokaliseerde punten kunnen monitoren, kunnen ULFBGs simultaan optredende temperatuurveranderingen langs hun gehele lengte monitoren, wat hen in staat stelt om zeer snelle detectie van temperatuurvariatie te bieden, ongeacht de locatie van de warmtebron.

Hoewel dit betekent dat de precieze locatie van hotspots verduisterd is, werkt het heel goed in systemen waar vroege identificatie van een probleem van het grootste belang is, als in een opererend fusie-apparaat. En een combinatie van ULFBGs en FBGs kan zowel ruimtelijke als temporele resolutie bieden. Een kans voor hands-on verificatie kwam via een CERN-team dat werkte met standaard FBGs op versnellermagneten bij de CERN-faciliteit in Genève, Zwitserland. "Ze dachten dat FBG-technologie, inclusief het ULFBG-concept, goed zou werken op dit type kabel en wilden ernaar kijken, en stonden bij het project," zegt Salazar.

In 2019 reisden zij en collega's naar de SULTAN-faciliteit in Villigen, Zwitserland, een toonaangevend centrum voor supergeleidende kabelevaluatie geopereerd door het Swiss Plasma Center (SPC), geaffilieerd met Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, om monsters van VIPER-kabel met optische vezels in gegolfde rillen op hun outer koperen jassen te evalueren. Hun prestaties werden vergeleken met traditionele spanningstaps en weerstandstemperatuursensoren.

De onderzoekers waren in staat om snel en betrouwbaar kleine temperatuurstoringen onder realistische operatieve omstandigheden te detecteren, met de vezels die vroege-stadium quench-groei oppikten voor thermische runaway effectiever dan de spanningstaps. Vergeleken met de uitdagende elektromagnetische omgeving gezien in een fusie-apparaat, was de signaal-ruisverhouding van de vezels diverse malen beter; bovendien nam hun gevoeligheid toe naarmate quench-regio's uitgebreid werden, en de responstijden van de vezels konden afgestemd worden. Dit stelde hen in staat quench-gebeurtenissen tientallen seconden sneller te detecteren dan spanningstaps, met name tijdens langzaam voortschrijdende quenches — een kenmerk uniek voor HTS dat uitzonderlijk moeilijk is voor spanningstaps te detecteren in de tokamak-omgeving, en wat tot gelokaliseerde schade kan leiden.

Er wordt gewerkt aan het verfijnen van de locatie en installatie van de vezels, inclusief het type lijm dat gebruikt wordt, en ook aan het onderzoeken hoe de vezels in andere kabels en op verschillende platforms geïnstalleerd kunnen worden, zegt Salazar.