Neuer faseroptischer Temperaturmessansatz könnte Fusionskraftwerke am Laufen halten

Das Streben nach Fusion als sichere, kohlenstofffreie, immer verfügbare Energiequelle hat sich in den letzten Jahren intensiviert, wobei eine Reihe von Organisationen aggressive Zeitpläne für Technologiedemonstrationen und Kraftwerksdesigns verfolgen. Supraleitende Magnete der neuen Generation sind ein entscheidender Faktor für viele dieser Programme, was einen wachsenden Bedarf an Sensoren, Steuerungen und anderer Infrastruktur schafft, die es den Magneten ermöglichen, unter den rauen Bedingungen eines kommerziellen Fusionskraftwerks zuverlässig zu arbeiten.

Eine kollaborative Gruppe unter der Leitung von Erica Salazar, Doktorandin am Department of Nuclear Science and Engineering (NSE), hat kürzlich mit einer vielversprechenden neuen Methode zur schnellen Erkennung einer störenden Anomalie, Quench, in leistungsstarker Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) einen Schritt nach vorne in diesem Bereich gemacht. Magnete. Quench tritt auf, wenn ein Teil der Spule eines Magneten aus einem supraleitenden Zustand, in dem er keinen elektrischen Widerstand hat, in einen normalen Widerstandszustand übergeht. Dies führt dazu, dass der massive Strom, der durch die Spule fließt, und die im Magneten gespeicherte Energie schnell in Wärme umgewandelt werden und möglicherweise ernsthafte interne Schäden an der Spule verursachen.

Während Quench für alle Systeme mit supraleitenden Magneten ein Problem darstellt, konzentriert sich das Team von Salazar darauf, es in Kraftwerken zu verhindern, die auf Fusionsgeräten mit magnetischem Einschluss basieren. Diese Arten von Fusionsgeräten, die als Tokamaks bekannt sind, halten ein Plasma auf extrem hoher Temperatur, ähnlich dem Kern eines Sterns, wo eine Fusion stattfinden und eine positive Nettoenergieabgabe erzeugen kann. Kein physikalisches Material kann mit diesen Temperaturen umgehen, daher werden Magnetfelder verwendet, um das Plasma einzuschließen, zu kontrollieren und zu isolieren. Die neuen HTS-Magnete ermöglichen, dass das toroidale (doughnut-förmige) Magnetgehäuse des Tokamak sowohl stärker als auch kompakter ist, aber Unterbrechungen des Magnetfelds durch Quench würden den Fusionsprozess stoppen – daher die Bedeutung verbesserter Sensor- und Steuerfähigkeiten.

Vor diesem Hintergrund suchte Salazars Gruppe nach einer Möglichkeit, Temperaturänderungen in den Supraleitern schnell zu erkennen, die auf beginnende Quench-Vorfälle hinweisen können. Ihr Prüfstand war ein neuartiges supraleitendes Kabel, das im SPARC-Programm namens VIPER entwickelt wurde und Baugruppen aus dünnem Stahlband enthält, das mit HTS-Material beschichtet, durch einen Kupferformer stabilisiert und mit Kupfer und Edelstahl ummantelt ist, mit einem zentralen Kanal für kryogene Kühlung. VIPER-Spulen können zwei- bis dreimal stärkere Magnetfelder erzeugen als das Niedertemperatur-Supraleiterkabel (LTS) der älteren Generation; dies führt zu einer erheblich höheren Fusionsausgangsleistung, macht aber auch die Energiedichte des Felds höher, was der Quench-Erkennung mehr Gewicht auferlegt, um die Spule zu schützen.

Das Team von Salazar ging, wie die gesamten Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen von SPARC, an seine Arbeit mit einem Fokus auf die spätere Kommerzialisierung, Benutzerfreundlichkeit und einfache Herstellung heran, mit Blick auf die Beschleunigung der Lebensfähigkeit der Fusion als Energiequelle. Ihr Hintergrund als Maschinenbauingenieurin bei General Atomics während der Produktion und Prüfung von LTS-Magneten für die internationale ITER-Fusionsanlage in Frankreich gab ihr einen Einblick in Sensortechnologien und den kritischen Übergang vom Design zur Produktion.

Eine vielversprechende Alternative war die Temperaturmessung mit optischen Fasern, die mit Mikromustern beschriftet sind, die als Faser-Bragg-Gitter (FBGs) bekannt sind. Wenn Breitbandlicht auf ein FBG gerichtet wird, geht das meiste Licht hindurch, aber eine Wellenlänge (bestimmt durch den Abstand oder die Periode des Gittermusters) wird reflektiert. Die reflektierte Wellenlänge variiert sowohl mit der Temperatur als auch mit der Dehnung geringfügig, sodass die Platzierung einer Reihe von Gittern mit unterschiedlichen Perioden entlang der Faser eine unabhängige Temperaturüberwachung jeder Stelle ermöglicht.

Während FBGs in vielen verschiedenen Branchen zur Messung von Dehnung und Temperatur eingesetzt wurden, auch bei viel kleineren supraleitenden Kabeln, wurden sie bei größeren Kabeln mit hohen Stromdichten wie VIPER nicht verwendet. „Das VIPER-Kabel war für diesen Ansatz gut geeignet, bemerkt Salazar, aufgrund seiner stabilen Struktur, die darauf ausgelegt ist, den intensiven elektrischen, mechanischen und elektromagnetischen Belastungen in der Umgebung eines Fusionsmagneten standzuhalten.

Eine neuartige Option wurde vom RRI-Team in Form von ultralangen Faser-Bragg-Gittern (ULFBGs) bereitgestellt – einer Reihe von 9-Millimeter-FBGs mit einem Abstand von 1 mm. Diese verhalten sich im Wesentlichen wie ein langes, quasi-kontinuierliches FBG, jedoch mit dem Vorteil, dass die kombinierte Gitterlänge Meter statt Millimeter lang sein kann. Während herkömmliche FBGs Temperaturänderungen an lokalisierten Punkten überwachen können, können ULFBGs gleichzeitig auftretende Temperaturänderungen über ihre gesamte Länge überwachen, wodurch sie unabhängig vom Ort der Wärmequelle eine sehr schnelle Erkennung von Temperaturänderungen ermöglichen.

Obwohl dies bedeutet, dass die genaue Position von Hot Spots verdeckt wird, funktioniert es sehr gut in Systemen, in denen die frühzeitige Erkennung eines Problems von größter Bedeutung ist, wie in einem in Betrieb befindlichen Fusionsgerät. Und eine Kombination aus ULFBGs und FBGs könnte sowohl eine räumliche als auch eine zeitliche Auflösung liefern. Eine Gelegenheit für eine praktische Überprüfung ergab sich über ein CERN-Team, das mit Standard-FBGs an Beschleunigermagneten in der CERN-Einrichtung in Genf, Schweiz, arbeitete. „Sie waren der Meinung, dass die FBG-Technologie, einschließlich des ULFBG-Konzepts, bei diesem Kabeltyp gut funktionieren würde, und wollten sich damit befassen, und stiegen in das Projekt ein“, sagt Salazar.

Im Jahr 2019 reisten sie und ihre Kollegen zur SULTAN-Anlage in Villigen, Schweiz, einem führenden Zentrum für die Bewertung von Supraleiterkabeln, das vom Swiss Plasma Center (SPC) betrieben wird, das der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne angegliedert ist, um Proben von VIPER-Kabeln zu bewerten optische Fasern, die in Rillen auf ihren äußeren Kupfermänteln eingelassen sind. Ihre Leistung wurde mit herkömmlichen Spannungsabgriffen und Widerstandstemperatursensoren verglichen.

Die Forscher waren in der Lage, kleine Temperaturstörungen unter realistischen Betriebsbedingungen schnell und zuverlässig zu erkennen, wobei die Fasern das Quenchwachstum im Frühstadium vor dem thermischen Durchgehen effektiver aufnehmen als die Spannungsabgriffe. Im Vergleich zu der herausfordernden elektromagnetischen Umgebung, die in einem Fusionsgerät zu sehen ist, war das Signal-Rausch-Verhältnis der Fasern um ein Vielfaches besser; Darüber hinaus nahm ihre Empfindlichkeit zu, wenn sich die Quench-Regionen ausdehnten, und die Reaktionszeiten der Fasern konnten abgestimmt werden. Dadurch konnten sie Quench-Ereignisse zehn Sekunden schneller als Spannungsabgriffe erkennen, insbesondere während sich langsam ausbreitender Quenches – eine Eigenschaft, die einzigartig für HTS ist, die für Spannungsabgriffe in der Tokamak-Umgebung außergewöhnlich schwer zu erkennen ist und zu lokalen Schäden führen kann. P>

Es wird daran gearbeitet, die Position und Installation der Fasern zu verfeinern, einschließlich der Art des verwendeten Klebstoffs, und auch an der Untersuchung, wie die Fasern in anderen Kabeln und auf verschiedenen Plattformen installiert werden können, sagt Salazar.