Strävan efter fusion som ett säkert, kolfritt, alltid på energikälla har intensifierats under de senaste åren, med ett antal organisationer som driver aggressiva tidslinjer för teknologidemonstrationer och kraftverksdesign. Ny generationens superledande magneter är en kritisk möjliggörare för många av dessa program, vilket skapar ett växande behov av sensorer, kontroller, och annan infrastruktur som gör att magneterna kan fungera pålitligt under de tuffa förhållandena i ett kommersiellt fusionskraftverk.

En samarbetsgrupp ledd av Institutionen för kärnvetenskap och teknik (NSE) doktorand Erica Salazar tog nyligen ett steg framåt på detta område med en lovande ny metod för snabb upptäckt av en störande abnormitet, släcka, i kraftfulla högtemperatur superledande (HTS) magneter. Salazar arbetade med NSE biträdande professor Zach Hartwig från MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) och Michael Segal från spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), tillsammans med medlemmar av det schweiziska CERN -forskningscentret och Robinson Research Institute (RRI) vid Victoria University i Nya Zeeland för att uppnå resultaten, som publicerades i tidningen Superledare Science and Technology .

Stankande släckning

Släckning uppstår när en del av en magnetspole flyttas ur ett supraledande tillstånd, där det inte har något elektriskt motstånd, och i ett normalt resistivt tillstånd. Detta orsakar den massiva strömmen som strömmar genom spolen, och lagrad energi i magneten, att snabbt konvertera till värme, och kan orsaka allvarlig inre skada på spolen.

Även om kylning är ett problem för alla system som använder supraledande magneter, Salazars team fokuserar på att förhindra det i kraftverk baserat på fusionsenheter med magnetisk inneslutning. Dessa typer av fusionsenheter, känd som tokamaks, kommer att hålla en plasma vid extremt hög temperatur, liknande kärnan i en stjärna, där fusion kan uppstå och generera nettopositiv energiproduktion. Inget fysiskt material klarar dessa temperaturer, så magnetfält används för att begränsa, kontrollera, och isolera plasma. De nya HTS-magneterna gör att tokamakens toroidala (munkformade) magnethölje kan vara både starkare och mer kompakt, men avbrott i magnetfältet från släckning skulle stoppa fusionsprocessen - därav vikten av förbättrade sensor- och kontrollmöjligheter.

Med detta i åtanke, Salazars grupp sökte ett sätt att snabbt upptäcka temperaturförändringar i superledarna, vilket kan indikera begynnande släckningsincidenter. Deras testbädd var en ny supraledande kabel som utvecklats i SPARC -programmet som kallas VIPER, som innehåller sammansättningar av tunn ståltejp belagd med HTS -material, stabiliserad av en kopparformare och mantlad i koppar och rostfritt stål, med en central kanal för kryogen kylning. Spolar från VIPER kan generera magnetfält två till tre gånger starkare än den äldre generationens lågtemperatur supraledande (LTS) kabel; detta översätts till mycket högre fusionseffekt, men gör också energitätheten i fältet högre, vilket lägger mer ansvar vid släckningsdetektering för att skydda spolen.

Fokus på fusionens livskraft

Salazars team, som hela SPARC:s forsknings- och utvecklingsinsats, närmade sig sitt arbete med fokus på eventuell kommersialisering, användbarhet, och enkel tillverkning, med sikte på att accelerera fusionens livskraft som energikälla. Hennes bakgrund som maskiningenjör med General Atomics under produktion och testning av LTS-magneter för den internationella ITER-fusionsanläggningen i Frankrike gav henne perspektiv på sensingteknik och den kritiska design-till-produktion-övergången.

"Att gå från tillverkning till design hjälpte mig att tänka på om det vi gör är en praktisk implementering, "förklarar Salazar. Dessutom, hennes erfarenhet av spänningsövervakning, den traditionella släckningsdetekteringsmetoden för supraledande kabel, fick henne att tro att det behövs ett annat tillvägagångssätt. "Under felprovning av ITER -magneterna, vi observerade elektrisk nedbrytning av isoleringen som inträffade vid spänningskranens ledningar. Eftersom jag nu anser att allt som bryter högspänningsisolering är en stor riskpunkt, mitt perspektiv på ett släckningsdetekteringssystem var, vad gör vi för att minimera dessa risker, och hur kan vi göra det så robust som möjligt? "

Ett lovande alternativ var temperaturmätning med optiska fibrer inskrivna med mikromönster som kallas fiber Bragg-galler (FBG). När bredbandsljus riktas mot en FBG, det mesta av ljuset passerar igenom, men en våglängd (bestäms av avståndet, eller period, av gallrets mönster) reflekteras. Den reflekterade våglängden varierar något med både temperatur och belastning, så placering av en rad galler med olika perioder längs fibern möjliggör oberoende temperaturövervakning av varje plats.

Även om FBG har utnyttjats inom många olika branscher för mätning av belastning och temperatur, inklusive på mycket mindre supraledande kablar, de hade inte använts på större kablar med höga strömtätheter som VIPER. "Vi ville ta bra arbete av andra och testa det på vår kabeldesign, "säger Salazar. VIPER-kabeln var välanpassad för detta tillvägagångssätt, hon noterar, på grund av dess stabila struktur, som är konstruerad för att klara den intensiva elektriska, mekanisk, och elektromagnetiska påkänningar i en fusionsmagnetmiljö.

En ny tillägg på FBG

Ett nytt alternativ erbjöds av RRI-teamet i form av ultralånga fiberbragggaller (ULFBG)-en serie med 9 milimeter FBG med 1 mm avstånd. Dessa beter sig i huvudsak som en lång kvasi-kontinuerlig FBG, men med fördelen att den kombinerade gallern kan vara meter lång istället för millimeter. Medan konventionella FBG kan övervaka temperaturförändringar på lokaliserade punkter, ULFBG kan övervaka samtidigt förekommande temperaturförändringar längs hela sin längd, låter dem ge mycket snabb upptäckt av temperaturvariationer, oavsett värmekällans placering.

Även om detta innebär att den exakta platsen för hotspots är dold, det fungerar mycket bra i system där tidig identifiering av ett problem är av yttersta vikt, som i en fungerande fusionsenhet. Och en kombination av ULFBG och FBG kan ge både rumslig och tidsmässig upplösning.

Ett tillfälle för praktisk verifiering kom via ett CERN-team som arbetar med standard FBG på acceleratormagneter vid CERN-anläggningen i Genève, Schweiz. "De trodde FBG -teknik, inklusive ULFBG -konceptet, skulle fungera bra på denna typ av kabel och ville undersöka den, och kom ombord med projektet, säger Salazar.

År 2019, hon och kollegor reste till SULTAN -anläggningen i Villigen, Schweiz, ett ledande centrum för supraledande kabelutvärdering som drivs av Swiss Plasma Center (SPC), som är ansluten till Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, för att utvärdera prover av VIPER -kabel med optiska fibrer i spår på deras yttre kopparjackor. Deras prestanda jämfördes med traditionella spänningskranar och motståndstemperaturgivare.

Snabb upptäckt under realistiska förhållanden

Forskarna kunde snabbt och pålitligt upptäcka små temperaturstörningar under realistiska driftförhållanden, med fibrerna som plockar upp tidigt släckningstillväxt före termisk språng mer effektivt än spänningskranarna. Jämfört med den utmanande elektromagnetiska miljön som ses i en fusionsenhet, fibrernas signal-brusförhållande var flera gånger bättre; dessutom, deras känslighet ökade när släckregionerna expanderade, och fibrernas svarstider kunde justeras. Detta gjorde att de kunde upptäcka släckhändelser tiotals sekunder snabbare än spänningskranar, särskilt under långsamt förökande släckningar - en egenskap som är unik för HTS som är exceptionellt svår för spänningskranar att upptäcka i tokamakmiljön, och som kan leda till lokal skada.

" sjunga fiberoptisk teknik för HTS magneter släckningsdetektering eller som en dubbel verifieringsmetod med spänning visar stort löfte, "säger gruppens uppskrivning, som också hänvisar till tillverkningsförmågan och minimal teknisk risk för tillvägagångssättet.