Nieuwe benadering van glasvezeltemperatuurwaarneming kan fusie-energiecentrales in stand houden

Het streven naar fusie als een veilige, koolstofvrije, altijd beschikbare energiebron is de afgelopen jaren geïntensiveerd, waarbij een aantal organisaties agressieve tijdlijnen nastreven voor technologiedemonstraties en ontwerpen van energiecentrales. Supergeleidende magneten van de nieuwe generatie zijn een cruciale factor voor veel van deze programma's, waardoor er een groeiende behoefte ontstaat aan sensoren, bedieningselementen en andere infrastructuur waarmee de magneten betrouwbaar kunnen werken in de barre omstandigheden van een commerciële fusiecentrale.

Een samenwerkingsgroep onder leiding van promovendus Erica Salazar van het Department of Nuclear Science and Engineering (NSE) heeft onlangs een stap vooruit gezet op dit gebied met een veelbelovende nieuwe methode voor snelle detectie van een storende afwijking, quench, in krachtige supergeleiding bij hoge temperatuur (HTS) magneten. Quench treedt op wanneer een deel van de spoel van een magneet uit een supergeleidende toestand verschuift, waar het geen elektrische weerstand heeft, en in een normale resistieve toestand. Dit zorgt ervoor dat de enorme stroom die door de spoel vloeit, en de opgeslagen energie in de magneet, snel wordt omgezet in warmte en mogelijk ernstige interne schade aan de spoel kan veroorzaken.

Hoewel quench een probleem is voor alle systemen die supergeleidende magneten gebruiken, is het team van Salazar gericht op het voorkomen ervan in energiecentrales op basis van fusie-apparaten met magnetische opsluiting. Dit soort fusie-apparaten, bekend als tokamaks, zullen een plasma op extreem hoge temperatuur houden, vergelijkbaar met de kern van een ster, waar fusie kan plaatsvinden en netto positieve energie-output kan genereren. Geen enkel fysiek materiaal kan die temperaturen aan, dus worden magnetische velden gebruikt om het plasma op te sluiten, te controleren en te isoleren. De nieuwe HTS-magneten zorgen ervoor dat de toroïdale (donutvormige) magnetische behuizing van de tokamak zowel sterker als compacter is, maar onderbrekingen in het magnetische veld door uitdoving zouden het fusieproces stoppen - vandaar het belang van verbeterde sensor- en besturingsmogelijkheden.

Met dit in gedachten zocht de groep van Salazar naar een manier om snel temperatuurveranderingen in de supergeleiders te detecteren, wat kan wijzen op ontluikende uitdovingsincidenten. Hun testbed was een nieuwe supergeleidende kabel ontwikkeld in het SPARC-programma bekend als VIPER, die assemblages bevat van dunne stalen tape bedekt met HTS-materiaal, gestabiliseerd door een koperen vormer en omhuld door koper en roestvrij staal, met een centraal kanaal voor cryogene koeling. Spoelen van VIPER kunnen magnetische velden genereren die twee tot drie keer sterker zijn dan de oudere generatie lage-temperatuur supergeleidende (LTS) kabel; dit vertaalt zich in een enorm hoger fusie-uitgangsvermogen, maar maakt ook de energiedichtheid van het veld hoger, waardoor er meer druk komt te liggen op de detectie van uitdoving om de spoel te beschermen.

Het team van Salazar benaderde zijn werk, net als de hele onderzoeks- en ontwikkelingsinspanning van SPARC, met een focus op uiteindelijke commercialisering, bruikbaarheid en fabricagegemak, met het oog op het versnellen van de levensvatbaarheid van fusie als energiebron. Haar achtergrond als werktuigbouwkundig ingenieur bij General Atomics tijdens de productie en het testen van LTS-magneten voor de internationale ITER-fusiefaciliteit in Frankrijk gaf haar perspectief op detectietechnologieën en de cruciale overgang van ontwerp naar productie.

Een veelbelovend alternatief was temperatuurmeting met behulp van optische vezels die zijn gegraveerd met micropatronen die bekend staan ​​​​als Fiber Bragg-roosters (FBG's). Wanneer breedbandlicht op een FBG wordt gericht, gaat het meeste licht erdoorheen, maar wordt één golflengte (bepaald door de afstand of periode van het patroon van het rooster) gereflecteerd. De gereflecteerde golflengte varieert enigszins met zowel temperatuur als spanning, dus plaatsing van een reeks roosters met verschillende perioden langs de vezel maakt onafhankelijke temperatuurbewaking van elke locatie mogelijk.

Hoewel FBG's in veel verschillende industrieën zijn gebruikt voor het meten van spanning en temperatuur, inclusief op veel kleinere supergeleidende kabels, waren ze niet gebruikt op grotere kabels met hoge stroomdichtheden zoals VIPER. "De VIPER-kabel was goed aangepast voor deze aanpak, merkt Salazar op, vanwege de stabiele structuur, die is ontworpen om de intense elektrische, mechanische en elektromagnetische spanningen van de omgeving van een fusiemagneet te weerstaan.

Een nieuwe optie werd geboden door het RRI-team in de vorm van ultralange vezel Bragg-roosters (ULFBG's) - een reeks FBG's van 9 millimeter op een onderlinge afstand van 1 mm. Deze gedragen zich in wezen als één lange quasi-continue FBG, maar met het voordeel dat de gecombineerde roosterlengte meters lang kan zijn in plaats van millimeters. Terwijl conventionele FBG's temperatuurveranderingen op gelokaliseerde punten kunnen bewaken, kunnen ULFBG's gelijktijdig optredende temperatuurveranderingen over hun gehele lengte bewaken, waardoor ze een zeer snelle detectie van temperatuurvariaties kunnen bieden, ongeacht de locatie van de warmtebron.

Hoewel dit betekent dat de precieze locatie van hotspots wordt verdoezeld, werkt het heel goed in systemen waar vroege identificatie van een probleem van het grootste belang is, zoals in een werkend fusie-apparaat. En een combinatie van ULFBG's en FBG's zou zowel ruimtelijke als temporele resolutie kunnen bieden. Een mogelijkheid voor hands-on verificatie kwam via een CERN-team dat werkte met standaard FBG's op versnellermagneten in 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 stapten in op het project", zegt Salazar.

In 2019 reisden zij en collega's naar de SULTAN-faciliteit in Villigen, Zwitserland, een toonaangevend centrum voor supergeleidende kabelevaluatie dat wordt beheerd door het Swiss Plasma Center (SPC), dat is aangesloten bij Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, om monsters van VIPER-kabel te evalueren met optische vezels in groeven op hun buitenste koperen mantels. Hun prestaties werden vergeleken met traditionele spanningsaftakkingen en weerstandstemperatuursensoren.

De onderzoekers waren in staat om snel en betrouwbaar kleine temperatuurverstoringen te detecteren onder realistische bedrijfsomstandigheden, waarbij de vezels de vroege afschrikgroei vóór thermische op hol geslagen effectiever oppikten dan de spanningsaftakkingen. In vergelijking met de uitdagende elektromagnetische omgeving die wordt gezien in een fusie-apparaat, was de signaal-ruisverhouding van de vezels meerdere keren beter; bovendien nam hun gevoeligheid toe naarmate de afschrikgebieden groter werden en konden de responstijden van de vezels worden afgestemd. Hierdoor konden ze blusgebeurtenissen tientallen seconden sneller detecteren dan spanningsafnames, vooral tijdens langzaam voortplantende blussingen - een eigenschap die uniek is voor HTS en die buitengewoon moeilijk is voor spanningsaftakkingen om te detecteren in de tokamak-omgeving, en die tot plaatselijke schade kan leiden.

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