Новый подход к измерению температуры с помощью оптоволокна может поддерживать работу термоядерных электростанций

Стремление к термоядерному синтезу как к безопасному, безуглеродному, постоянно включенному источнику энергии в последние годы активизировалось, и ряд организаций придерживаются жестких сроков демонстрации технологий и проектов электростанций. Сверхпроводящие магниты нового поколения являются критически важным фактором для многих из этих программ, что создает растущую потребность в датчиках, элементах управления и другой инфраструктуре, которая позволит магнитам надежно работать в суровых условиях коммерческой термоядерной электростанции.

Совместная группа под руководством аспиранта Департамента ядерных наук и инженерии (NSE) Эрики Салазар недавно сделала шаг вперед в этой области, предложив новый многообещающий метод быстрого обнаружения разрушающей аномалии, гашения, в мощных высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). магниты. Гашение происходит, когда часть катушки магнита переходит из сверхпроводящего состояния, где она не имеет электрического сопротивления, в нормальное резистивное состояние. Это приводит к тому, что мощный ток, протекающий через катушку, и накопленная в магните энергия быстро преобразуются в тепло и потенциально могут вызвать серьезные внутренние повреждения катушки.

В то время как гашение является проблемой для всех систем, использующих сверхпроводящие магниты, команда Салазара сосредоточена на предотвращении его на электростанциях, основанных на устройствах термоядерного синтеза с магнитным удержанием. Эти типы термоядерных устройств, известные как токамаки, будут поддерживать плазму при чрезвычайно высокой температуре, подобно ядру звезды, где может происходить синтез и генерировать чистую положительную выходную энергию. Ни один физический материал не может выдержать таких температур, поэтому магнитные поля используются для удержания, контроля и изоляции плазмы. Новые магниты HTS позволяют тороидальному (в форме пончика) магнитному корпусу токамака быть более прочным и компактным, но прерывания магнитного поля из-за гашения остановят процесс синтеза — отсюда важность улучшенных датчиков и возможностей управления.

Имея это в виду, группа Салазара искала способ быстро определить изменения температуры в сверхпроводниках, которые могут указывать на зарождающиеся инциденты с охлаждением. Их испытательный стенд представлял собой новый сверхпроводящий кабель, разработанный в рамках программы SPARC, известный как VIPER, который включает в себя сборки из тонкой стальной ленты, покрытой материалом HTS, стабилизированной медным каркасом и оболочкой из меди и нержавеющей стали, с центральным каналом для криогенного охлаждения. Катушки VIPER могут генерировать магнитные поля в два-три раза сильнее, чем кабель с низкотемпературной сверхпроводимостью (LTS) предыдущего поколения; это приводит к значительно более высокой выходной мощности термоядерного синтеза, но также увеличивает плотность энергии поля, что возлагает больше ответственности на обнаружение гашения для защиты катушки.

Команда Салазара, как и все исследования и разработки SPARC, подходила к своей работе с упором на возможную коммерциализацию, удобство использования и простоту производства с прицелом на ускорение жизнеспособности термоядерного синтеза как источника энергии. Ее опыт работы инженером-механиком в General Atomics во время производства и испытаний магнитов LTS для международной термоядерной установки ИТЭР во Франции дал ей представление о технологиях датчиков и критическом переходе от проектирования к производству.

Многообещающей альтернативой было измерение температуры с использованием оптических волокон с нанесенными на них микрорисунками, известными как волоконные брэгговские решетки (ВБР). Когда широкополосный свет направляется на ВБР, большая часть света проходит, но отражается одна длина волны (определяемая интервалом или периодом рисунка решетки). Отраженная длина волны незначительно зависит как от температуры, так и от деформации, поэтому размещение вдоль волокна серии решеток с разными периодами позволяет осуществлять независимый мониторинг температуры в каждом месте.

В то время как ВБР использовались во многих различных отраслях промышленности для измерения деформации и температуры, в том числе на сверхпроводящих кабелях гораздо меньшего размера, они не использовались на более крупных кабелях с высокой плотностью тока, таких как VIPER. «Кабель VIPER был хорошо адаптирован для этого подхода, — отмечает Салазар, — благодаря своей стабильной структуре, которая предназначена для того, чтобы выдерживать интенсивные электрические, механические и электромагнитные нагрузки в среде термоядерного магнита.

Команда RRI предложила новый вариант в виде брэгговских решеток со сверхдлинным волокном (ULFBG) — серии 9-миллиметровых ВБР, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга. По сути, они ведут себя как одна длинная квазинепрерывная ВБР, но с тем преимуществом, что общая длина решетки может составлять метры, а не миллиметры. В то время как обычные FBG могут отслеживать изменения температуры в локализованных точках, ULFBG могут отслеживать одновременно происходящие изменения температуры по всей своей длине, что позволяет им обеспечивать очень быстрое обнаружение изменения температуры независимо от местоположения источника тепла.

Хотя это означает, что точное местоположение горячих точек скрыто, это очень хорошо работает в системах, где раннее выявление проблемы имеет первостепенное значение, например, в работающем термоядерном устройстве. А комбинация ULFBG и FBG может обеспечить как пространственное, так и временное разрешение. Возможность практической проверки появилась благодаря команде ЦЕРН, работающей со стандартными ВБР на магнитах ускорителя на объекте ЦЕРН в Женеве, Швейцария. «Они подумали, что технология FBG, включая концепцию ULFBG, будет хорошо работать с этим типом кабеля, и захотели изучить ее, и приняли участие в проекте», — говорит Салазар.

В 2019 году она и ее коллеги посетили объект SULTAN в Виллигене, Швейцария, ведущий центр оценки сверхпроводящих кабелей, управляемый Швейцарским плазменным центром (SPC), который является филиалом Федеральной политехнической школы Лозанны, чтобы оценить образцы кабеля VIPER с оптические волокна укладываются в канавки на их внешней медной оболочке. Их производительность сравнивалась с традиционными отводами напряжения и резистивными датчиками температуры.

Исследователи смогли быстро и надежно обнаружить небольшие колебания температуры в реальных условиях эксплуатации, при этом волокна улавливают рост закалки на ранней стадии до теплового разгона более эффективно, чем отводы напряжения. По сравнению со сложной электромагнитной обстановкой, наблюдаемой в термоядерном устройстве, соотношение сигнал-шум в волокнах было в несколько раз лучше; кроме того, их чувствительность увеличивалась по мере расширения областей подавления, и можно было настраивать время отклика волокон. Это позволило им обнаруживать события гашения на десятки секунд быстрее, чем отводы напряжения, особенно во время медленно распространяющихся гашений — характеристика, уникальная для HTS, которую исключительно трудно обнаружить отводами напряжения в среде токамака и которая может привести к локализованному повреждению.

По словам Салазар, сейчас ведутся работы по уточнению расположения и установки волокон, включая тип используемого клея, а также по изучению возможности установки волокон в другие кабели и на разные платформы.