Революционные волоконно-оптические температурные сенсоры могут обеспечить надежную работу электростанций на термоядерном слиянии

Преследование термоядерного слияния как безопасного, безуглеродного, всегда доступного источника энергии усилилось в последние годы, с рядом организаций, преследующих агрессивные временные линии для технологических демонстраций и проектов электростанций. Новое поколение сверхпроводящих магнитов является критическим исполнителем для многих из этих программ, что создает растущую потребность в сенсорах, контроле и другой инфраструктуре, которая позволит магнитам надежно работать в суровых условиях коммерческой электростанции на термоядерном слиянии.

Коллаборативная группа под руководством докторанта Департамента ядерной науки и инженерии (NSE) Эрики Салар нещодавно сделала шаг вперед в этой области с многообещающим новым методом быстрого обнаружения разрушительной аномалии, квайнча, в мощных высокотемпературных сверхпроводящих (HTS) магнитах. Квайнч происходит, когда часть катушки магнита выходит из сверхпроводящего состояния, где у нее нет электрического сопротивления, в нормальное резистивное состояние. Это заставляет массивный ток, текущий через катушку, и запасенную в магните энергию быстро конвертироваться в тепло, и потенциально вызывать серьезные внутренние повреждения катушки.

Пока квайнч является проблемой для всех систем, использующих сверхпроводящие магниты, команда Салар фокусируется на предотвращении его в электростанциях на основе магнитного задержания слияния. Эти типы слияния устройств, известные как токамаки, будут поддерживать плазму при экстремально высокой температуре, похожей на ядро звезды, где слияние может происходить и генерировать чисто-положительный энергетический выход. Никакой физический материал не может выдержать эти температуры, поэтому магнитные поля используются для задержания, контроля и изоляции плазмы. Новые HTS магниты позволяют тороидальной (пончикообразной) магнитной оболочке токамака быть одновременно более сильной и компактной, но прерывания в магнитном поле от квайнча остановили бы процесс слияния — отсюда важность улучшенных сенсорных и контрольных возможностей.

С этим в виду, группа Салар искала способ быстрого обнаружения изменений температуры в сверхпроводниках, которые могут указывать на зачаточные инциденты квайнча. Их испытательным стендом был новый сверхпроводящий кабель, разработанный в программе SPARC, известный как VIPER, который включает сборки тонких стальных лент, покрытых HTS материалом, стабилизированные медным формером и обжатые в медь и нержавеющую сталь, с центральным каналом для криогенического охлаждения. Катушки VIPER могут генерировать магнитные поля в два-три раза сильнее, чем кабели старого поколения низкотемпературных сверхпроводящих (LTS); это переводится в бесконечно более высокую выходную мощность слияния, но также делает плотность энергии поля выше, что кладет больше ответственности на обнаружение квайнча для защиты катушки.

Команда Салар, как и вся исследовательская и разработческая работа SPARC, подошла к своей работе с фокусом на возможную коммерциализацию, удобство использования и легкость производства, с глазом на ускорение жизнеспособности слияния как источника энергии. Ее бэкграунд как механического инженера в General Atomics во время производства и тестирования LTS магнитов для международного термоядерного экспериментального реактора ITER во Франции дало ей перспективу на сенсорные технологии и критический переход от дизайна к производству.

Перспективной альтернативой было измерение температуры с использованием оптических волокон, записанных с микропаттернами, известными как волоконно-оптические брагговы решетки (FBG). Когда широкополосный свет направляется на FBG, большая часть света проходит сквозь, но одна длина волны (определенная интервалом, или периодом, паттерна решетки) отражается. Отраженная длина волны слегка варьируется как с температурой, так и с деформацией, поэтому размещение ряда решеток с разными периодами вдоль волокна позволяет независимый мониторинг температуры каждого местоположения.

Пока FBG использовались во многих разных отраслях для измерения деформации и температуры, включая на гораздо меньших сверхпроводящих кабелях, они не использовались на более крупных кабелях с высокой плотностью тока, как VIPER. «Кабель VIPER был хорошо адаптирован для этого подхода, отмечает Салар, из-за его стабильной структуры, которая спроектирована для выдерживания интенсивных электрических, механических и электромагнитных напряжений среды магнита слияния.

Новый вариант был предоставлен командой RRI в виде ультрадлинных волоконно-оптических брагговых решеток (ULFBG) — серии 9-миллиметровых FBG, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга. Эти по сути ведут себя как одна длинная квази-непрерывная FBG, но с преимуществом, что комбинированная длина решетки может быть метрами вместо миллиметров. Пока конвенциональные FBG могут мониторить изменения температуры в локализованных точках, ULFBG могут мониторить одновременно происходящие изменения температуры вдоль всей их длины, позволяя им обеспечивать очень быстрое обнаружение вариации температуры, независимо от местоположения источника тепла.

Хотя это означает, что точное местоположение горячих точек затуманивается, это работает очень хорошо в системах, где ранняя идентификация проблемы имеет первостепенное значение, как в работающем устройстве слияния. И комбинация ULFBG и FBG может обеспечить как пространственное, так и временное разрешение. Возможность для практической проверки пришла через команду CERN, работающую со стандартными FBG на ускорительных магнитах на объекте CERN в Женеве, Швейцария. «Они думали, что FBG технология, включая концепцию ULFBG, хорошо сработает на этом типе кабеля и хотели изучить это, и присоединились к проекту», — говорит Салар.

В 2019 году она и коллеги отправились в объект SULTAN в Филлиген, Швейцария, ведущий центр оценки сверхпроводящих кабелей, эксплуатируемый Швейцарским плазменным центром (SPC), который аффилирован с Экол Политехник Федераль де Лозанна, чтобы оценить образцы кабеля VIPER с оптическими волокнами, установленными в желобах на их внешних медных оболочках. Их производительность сравнивалась с традиционными напряженными вентилями и сопротивляющими температурными сенсорами.

Исследователи смогли быстро и надежно обнаружить малые температурные нарушения под реалистичными операционными условиями, с волокнами, улавливающими ранние стадии роста квайнча до термического бегства более эффективно, чем напряженные вентили. Когда сравнивали с сложной электромагнитной средой, видимой в устройстве слияния, отношение сигнал/шум волокон было в несколько раз лучше; кроме того, их чувствительность увеличивалась по мере расширения регионов квайнча, и времена отклика волокон могли быть настроены. Это позволило им детектировать события квайнча на десятки секунд быстрее, чем напряженные вентили, особенно во время медленно распространяющихся квайнчей — характеристики, уникальной для HTS, которая исключительно трудна для обнаружения напряженными вентилями в среде токамака и которая может привести к локальным повреждениям.

Работа идет над уточнением местоположения и установки волокон, включая тип используемого клея, а также над изучением того, как волокна могут быть установлены в других кабелях и на разных платформах, говорит Салар.