Ny fiberoptisk temperaturfølende tilgang til at holde fusionskraftværker kørende

Jagten på fusion som et pengeskab, kulfrit, altid tændt energikilde er blevet intensiveret i de senere år, med en række organisationer, der forfølger aggressive tidslinjer for teknologidemonstrationer og design af kraftværker. Den nye generation af superledende magneter er en kritisk muliggører for mange af disse programmer, hvilket skaber et stigende behov for sensorer, kontroller, og anden infrastruktur, der gør det muligt for magneterne at fungere pålideligt under de barske forhold i et kommercielt fusionskraftværk.

En samarbejdsgruppe ledet af Institut for Nuklear Science and Engineering (NSE) doktorgradsstuderende Erica Salazar tog for nylig et skridt fremad på dette område med en lovende ny metode til hurtig opdagelse af en forstyrrende abnormitet, slukke, i kraftige højtemperatur superledende (HTS) magneter. Salazar arbejdede sammen med NSE-assistentprofessor Zach Hartwig fra MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) og Michael Segal fra spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), sammen med medlemmer af det schweiziske CERN-forskningscenter og Robinson Research Institute (RRI) ved Victoria University i New Zealand for at opnå resultaterne, som blev offentliggjort i tidsskriftet Superleder Videnskab og Teknologi .

Stansende quench

Slukning opstår, når en del af en magnets spole skifter ud af en superledende tilstand, hvor den ikke har nogen elektrisk modstand, og ind i en normal resistiv tilstand. Dette forårsager den massive strøm, der flyder gennem spolen, og lagret energi i magneten, hurtigt omdannes til varme, og potentielt forårsage alvorlig intern skade på spolen.

Mens quench er et problem for alle systemer, der bruger superledende magneter, Salazars team er fokuseret på at forhindre det i kraftværker baseret på magnetisk indeslutningsfusionsenheder. Disse typer fusionsenheder, kendt som tokamaks, vil opretholde et plasma ved ekstremt høj temperatur, ligner kernen af ​​en stjerne, hvor fusion kan forekomme og generere netto-positiv energiproduktion. Intet fysisk materiale kan klare disse temperaturer, så magnetiske felter bruges til at begrænse, styring, og isolere plasmaet. De nye HTS-magneter gør det muligt for tokamak's toroidale (doughnut-formede) magnetiske kabinet at være både stærkere og mere kompakt, men afbrydelser i magnetfeltet fra quench ville standse fusionsprocessen - derfor vigtigheden af ​​forbedrede sensor- og kontrolmuligheder.

Med det i tankerne, Salazars gruppe søgte en måde at hurtigt opdage temperaturændringer i superlederne, som kan indikere begyndende slukningshændelser. Deres testseng var et nyt superledende kabel udviklet i SPARC-programmet kendt som VIPER, som omfatter samlinger af tynd ståltape belagt med HTS-materiale, stabiliseret af en kobberform og beklædt med kobber og rustfrit stål, med en central kanal til kryogen afkøling. Spoler af VIPER kan generere magnetiske felter to til tre gange stærkere end det ældre generations lavtemperatur superledende (LTS) kabel; dette udmønter sig i langt højere fusionsudgangseffekt, men gør også feltets energitæthed højere, hvilket lægger mere byrde på quench-detektion for at beskytte spolen.

Fokus på fusions levedygtighed

Salazars hold, ligesom hele SPARCs forsknings- og udviklingsindsats, nærmede sig sit arbejde med fokus på eventuel kommercialisering, anvendelighed, og nem fremstilling, med henblik på at accelerere fusions levedygtighed som energikilde. Hendes baggrund som maskiningeniør hos General Atomics under produktion og test af LTS-magneter til det internationale ITER-fusionsanlæg i Frankrig gav hende et perspektiv på sanseteknologier og den kritiske overgang fra design til produktion.

"At flytte fra produktion til design hjalp mig med at tænke over, om det, vi gør, er en praktisk implementering, " forklarer Salazar. Desuden, hendes erfaring med spændingsovervågning, den traditionelle quench-detektionstilgang til superledende kabel, fik hende til at tro, at der var behov for en anden tilgang. "Under fejltest af ITER-magneterne, vi observerede elektrisk nedbrud af isoleringen, der opstod ved spændingsudtagsledningerne. Fordi jeg nu betragter alt, der bryder højspændingsisolering som et stort risikopunkt, mit perspektiv på et quench-detektionssystem var, hvad gør vi for at minimere disse risici, og hvordan kan vi gøre det så robust som muligt?"

Et lovende alternativ var temperaturmåling ved hjælp af optiske fibre indskrevet med mikromønstre kendt som fiber Bragg gratings (FBG'er). Når bredbåndslys rettes mod en FBG, det meste af lyset passerer igennem, men én bølgelængde (bestemt af afstanden, eller periode, af gitterets mønster) afspejles. Den reflekterede bølgelængde varierer lidt med både temperatur og belastning, så placering af en række riste med forskellige perioder langs fiberen muliggør uafhængig temperaturovervågning af hver placering.

Mens FBG'er er blevet udnyttet i mange forskellige industrier til måling af belastning og temperatur, inklusive på meget mindre superledende kabler, de havde ikke været brugt på større kabler med høje strømtætheder som VIPER. "Vi ønskede at tage godt arbejde fra andre og prøve det på vores kabeldesign, " siger Salazar. VIPER-kablet var veltilpasset til denne tilgang, hun bemærker, på grund af dets stabile struktur, som er designet til at modstå de intense elektriske, mekanisk, og elektromagnetiske spændinger i en fusionsmagnets miljø.

En ny udvidelse på FBG'er

En ny mulighed blev leveret af RRI-teamet i form af ultralange fiber-Bragg-gitre (ULFBG'er)-en serie af 9-milimeter FBG'er med 1 mm mellemrum. Disse opfører sig i det væsentlige som en lang kvasi-kontinuerlig FBG, men med den fordel, at den kombinerede ristlængde kan være meter lang i stedet for millimeter. Mens konventionelle FBG'er kan overvåge temperaturændringer på lokale punkter, ULFBG'er kan overvåge samtidig forekommende temperaturændringer langs hele deres længde, giver dem mulighed for meget hurtig påvisning af temperaturvariationer, uanset placeringen af ​​varmekilden.

Selvom dette betyder, at den præcise placering af hot spots er sløret, det fungerer meget godt i systemer, hvor tidlig identifikation af et problem er af yderste vigtighed, som i en fungerende fusionsenhed. Og en kombination af ULFBG'er og FBG'er kunne give både rumlig og tidsmæssig opløsning.

En mulighed for praktisk verifikation kom via et CERN-team, der arbejder med standard FBG'er på acceleratormagneter på CERN-anlægget i Genève, Schweiz. "De tænkte FBG -teknologi, inklusive ULFBG-konceptet, ville fungere godt på denne type kabel og ville se nærmere på det, og kom med på projektet, " siger Salazar.

I 2019, hun og kolleger rejste til SULTAN -anlægget i Villigen, Schweiz, et førende center for evaluering af superledende kabler drevet af Swiss Plasma Center (SPC), som er tilknyttet Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, til at evaluere prøver af VIPER-kabel med optiske fibre sat i riller på deres ydre kobberkapper. Deres ydeevne blev sammenlignet med traditionelle spændingshaner og modstandstemperaturfølere.

Hurtig detektion under realistiske forhold

Forskerne var i stand til hurtigt og pålideligt at opdage små temperaturforstyrrelser under realistiske driftsforhold, med fibrene, der opfanger tidligt slukningsvækst før termisk løb mere effektivt end spændingsudtagene. Sammenlignet med det udfordrende elektromagnetiske miljø set i en fusionsenhed, fibrenes signal-til-støj-forhold var flere gange bedre; ud over, deres følsomhed øges, efterhånden som bratkølingsområderne udvides, og fibrenes responstider kunne justeres. Dette gjorde det muligt for dem at detektere quench-begivenheder ti sekunder hurtigere end spændingsudtag, især under langsomt udbredende quenches - en egenskab, der er unik for HTS, som er usædvanlig vanskelig for spændingsudtag at opdage i tokamak-miljøet, og som kan føre til lokal skade.

" synge fiberoptiske teknologier til HTS-magneter quench-detektion eller som en dobbelt verifikationsmetode med spænding, der viser stort løfte, " siger gruppens opskrift, som også citerer fremstillingsevnen og den minimale teknologiske risiko ved fremgangsmåden.