Het streven naar fusie als een veilige, koolstofvrij, altijd-aan-energiebron is de afgelopen jaren geïntensiveerd, met een aantal organisaties die 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 een groeiende behoefte aan sensoren ontstaat, controles, 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 voorwaarts gemaakt op dit gebied met een veelbelovende nieuwe methode voor snelle detectie van een storende afwijking, blussen, in krachtige supergeleidende (HTS) magneten voor hoge temperaturen. Salazar werkte samen met NSE-assistent-professor Zach Hartwig van het MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) en Michael Segal van spin-out Commonwealth Fusion Systems (CFS), samen met leden van het Zwitserse CERN-onderzoekscentrum en het Robinson Research Institute (RRI) aan de Victoria University in Nieuw-Zeeland om de resultaten te bereiken, die in het tijdschrift zijn gepubliceerd Wetenschap en technologie van supergeleiders .

Stanching blussen

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 veroorzaakt de enorme stroom die door de spoel vloeit, en opgeslagen energie in de magneet, om snel om te zetten in warmte, en mogelijk ernstige interne schade aan de spoel veroorzaken.

Hoewel afschrikken een probleem is voor alle systemen die supergeleidende magneten gebruiken, Het team van Salazar is gericht op het voorkomen ervan in energiecentrales op basis van fusie-apparaten met magnetische opsluiting. Dit soort fusie-apparaten, bekend als tokamaks, zal 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 magnetische velden worden gebruikt om te beperken, controle, en isoleer het plasma. 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 controlemogelijkheden.

Met dit in gedachten, De groep van Salazar zocht een manier om snel temperatuurveranderingen in de supergeleiders te detecteren, die kunnen duiden op ontluikende blusincidenten. Hun testbed was een nieuwe supergeleidende kabel ontwikkeld in het SPARC-programma dat bekend staat als VIPER, waarin assemblages van dunne stalen tape zijn gecoat met HTS-materiaal, gestabiliseerd door een kopervormer en omhuld met 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 supergeleidende lage-temperatuur-supergeleidende (LTS)-kabel; dit vertaalt zich in een enorm hoger fusie-uitgangsvermogen, maar maakt ook de energiedichtheid van het veld hoger, wat meer verantwoordelijkheid legt bij quench-detectie om de spoel te beschermen.

Een focus op de levensvatbaarheid van fusie

Het Salazar-team, zoals de volledige onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen van SPARC, benaderde zijn werk met een focus op uiteindelijke commercialisering, bruikbaarheid, en gemak van vervaardiging, 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.

"De overstap van productie naar ontwerp heeft me geholpen na te denken over de vraag of wat we doen een praktische implementatie is, " legt Salazar uit. Bovendien, haar ervaring met spanningsbewaking, de traditionele quench-detectiebenadering voor supergeleidende kabel, bracht haar ertoe te denken dat een andere aanpak nodig was. "Tijdens het testen van fouten van de ITER-magneten, we hebben een elektrische doorslag van de isolatie waargenomen bij de spanningsaftakdraden. Omdat ik nu alles wat hoogspanningsisolatie verbreekt als een groot risicopunt beschouw, mijn perspectief op een blusdetectiesysteem was, wat doen we om deze risico's te minimaliseren, en hoe kunnen we die zo robuust mogelijk maken?"

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, het meeste licht gaat door, maar één golflengte (bepaald door de afstand, of periode, van het patroon van het rooster) wordt weerspiegeld. 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, ook op veel kleinere supergeleidende kabels, ze waren niet gebruikt op grotere kabels met hoge stroomdichtheden zoals VIPER. "We wilden goed werk van anderen overnemen en het testen op ons kabelontwerp, ", zegt Salazar. VIPER-kabel was goed aangepast voor deze aanpak, ze merkt op, vanwege de stabiele structuur, die is ontworpen om de intense elektrische, mechanisch, en elektromagnetische spanningen van de omgeving van een fusiemagneet.

Een nieuwe extensie op FBG's

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 volgen, ULFBG's kunnen gelijktijdig optredende temperatuurveranderingen over hun gehele lengte monitoren, waardoor ze een zeer snelle detectie van temperatuurvariaties kunnen bieden, ongeacht de plaats van de warmtebron.

Hoewel dit betekent dat de precieze locatie van hotspots wordt verdoezeld, het werkt 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, zou goed werken op dit type kabel en wilde er naar kijken, en stapte aan boord van het project, ' zegt Salazar.

in 2019, zij en collega's reisden naar de SULTAN-faciliteit in Villigen, Zwitserland, een toonaangevend centrum voor de evaluatie van supergeleidende kabels, beheerd door het Zwitserse plasmacentrum (SPC), die 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.

Snelle detectie onder realistische omstandigheden

De onderzoekers waren in staat om kleine temperatuurstoringen snel en betrouwbaar te detecteren onder realistische bedrijfsomstandigheden, waarbij de vezels de groei van de afschrikking in een vroeg stadium vóór thermische op hol slaan effectiever oppakken dan de spanningsaftakkingen. In vergelijking met de uitdagende elektromagnetische omgeving die wordt gezien in een fusieapparaat, de signaal-ruisverhouding van de vezels was meerdere malen beter; in aanvulling op, hun gevoeligheid nam toe naarmate de uitdovingsgebieden groter werden, en de responstijden van de vezels konden worden afgestemd. Hierdoor konden ze blusgebeurtenissen tientallen seconden sneller detecteren dan spanningsaftakkingen, vooral tijdens langzaam voortplantende uitdovingen - een kenmerk dat uniek is voor HTS en dat buitengewoon moeilijk is voor spanningsaftakkingen om te detecteren in de tokamak-omgeving, en die tot plaatselijke schade kunnen leiden.

" zingen glasvezeltechnologieën voor HTS-magneten dovendetectie of als een dubbele verificatiemethode met spanning veelbelovend, " zegt het groepsverslag, waarin ook de maakbaarheid en het minimale technologische risico van de aanpak worden genoemd.