Revolutionäre Faseroptische Temperatursensoren könnten zuverlässigen Betrieb von Fusionskraftwerken sichern

Die Verfolgung von Fusion als sichere, kohlenstofffreie, immer verfügbare Energiequelle hat sich in den letzten Jahren intensiviert, mit einer Reihe von Organisationen, die aggressive Zeitpläne für Technologiedemonstrationen und Kraftwerksdesigns verfolgen. Neue Generation supraleitender Magnete sind ein kritischer Enabler für viele dieser Programme, was einen wachsenden Bedarf an Sensoren, Steuerungen und anderer Infrastruktur schafft, die es den Magneten ermöglichen, zuverlässig in den harten Bedingungen eines kommerziellen Fusionskraftwerks zu operieren.

Eine kollaborative Gruppe unter Leitung der Doktorandin Erica Salazar vom Department of Nuclear Science and Engineering (NSE) machte kürzlich einen Schritt vorwärts in diesem Bereich mit einer vielversprechenden neuen Methode zur schnellen Detektion einer störenden Anomalie, Quench, in leistungsstarken Hochtemperatur-supraleitenden (HTS) Magneten. Quench tritt auf, wenn ein Teil der Magnetchip aus einem supraleitenden Zustand, in dem er keinen elektrischen Widerstand hat, in einen normalen resistiven Zustand übergeht. Dies bewirkt, dass der massive Strom, der durch die Spule fließt, und die im Magneten gespeicherte Energie schnell in Wärme umgewandelt werden und potenziell schwere interne Schäden an der Spule verursachen können.

Während Quench ein Problem für alle Systeme mit supraleitenden Magneten ist, konzentriert sich Salazars Team darauf, es in Kraftwerken auf Basis magnetischer Einschluss-Fusionsgeräte zu verhindern. Diese Arten von Fusionsgeräten, bekannt als Tokamaks, werden ein Plasma bei extrem hoher Temperatur aufrechterhalten, ähnlich dem Kern eines Sterns, wo Fusion stattfinden und netto-positive Energieausbeute erzeugen kann. Kein physikalisches Material kann diese Temperaturen handhaben, daher werden Magnetfelder genutzt, um das Plasma einzuschließen, zu kontrollieren und zu isolieren. Die neuen HTS-Magnete erlauben dem toroidalen (donutförmigen) magnetischen Einschluss des Tokamaks, sowohl stärker als auch kompakter zu sein, aber Unterbrechungen im Magnetfeld durch Quench würden den Fusionsprozess stoppen – daher die Wichtigkeit verbesserter Sensor- und Steuerungsfähigkeiten.

Mit diesem Ziel suchte Salazars Gruppe nach einem Weg, Temperaturänderungen in den Supraleitern schnell zu erkennen, die beginnende Quench-Vorfälle anzeigen können. Ihr Testbett war ein neuartiges supraleitendes Kabel, das im SPARC-Programm entwickelt wurde und als VIPER bekannt ist, das Assemblies aus dünnem Stahlband mit HTS-Materialbeschichtung, stabilisiert durch einen Kupferformer und in Kupfer und Edelstahl eingehüllt, mit einem zentralen Kanal für kryogene Kühlung umfasst. Spulen aus VIPER können Magnetfelder zwei- bis dreimal stärker erzeugen als die ältere Generation Niedertemperatur-supraleitender (LTS) Kabel; dies bedeutet enorm höhere Fusionsausgangsleistung, macht aber auch die Energiedichte des Feldes höher, was mehr Verantwortung auf Quench-Detektion legt, um die Spule zu schützen.

Salazars Team, wie die gesamte SPARC-Forschungs- und Entwicklungsarbeit, näherte sich seiner Arbeit mit Fokus auf spätere Kommerzialisierung, Benutzerfreundlichkeit und einfache Fertigung, mit Blick auf die Beschleunigung der Lebensfähigkeit von Fusion als Energiequelle. Ihr Hintergrund als Maschinenbauingenieurin bei General Atomics während Produktion und Test von LTS-Magneten für die internationale ITER-Fusionsanlage in Frankreich gab ihr Perspektive auf Sensing-Technologien und den kritischen Design-zu-Produktion-Übergang.

Eine vielversprechende Alternative war Temperaturmessung mittels optischer Fasern, die mit Mikromustern namens Fiber Bragg Gratings (FBGs) beschriftet sind. Wenn Breitbandlicht auf ein FBG gerichtet wird, geht der größte Teil des Lichts hindurch, aber eine Wellenlänge (bestimmt durch den Abstand, oder Periode, des Gitter-Musters) wird reflektiert. Die reflektierte Wellenlänge variiert leicht mit sowohl Temperatur als auch Dehnung, sodass die Platzierung einer Reihe von Gattern mit unterschiedlichen Perioden entlang der Faser unabhängige Temperaturüberwachung jedes Standorts ermöglicht.

Während FBGs in vielen verschiedenen Branchen für Messung von Dehnung und Temperatur genutzt wurden, einschließlich an viel kleineren supraleitenden Kabeln, waren sie noch nicht an größeren Kabeln mit hohen Stromdichten wie VIPER eingesetzt worden. „VIPER-Kabel war gut an diesen Ansatz angepasst“, stellt Salazar fest, „wegen seiner stabilen Struktur, die dafür ausgelegt ist, den intensiven elektrischen, mechanischen und elektromagnetischen Belastungen einer Fusionsmagnetumgebung standzuhalten.“

Eine neuartige Option wurde vom RRI-Team in Form von Ultra-Long Fiber Bragg Gratings (ULFBGs) bereitgestellt – eine Serie von 9-Millimeter-FBGs, die 1 mm voneinander entfernt sind. Diese verhalten sich im Wesentlichen als ein langes quasi-kontinuierliches FBG, aber mit dem Vorteil, dass die kombinierte Gitterlänge meterlang statt millimeterlang sein kann. Während konventionelle FBGs Temperaturänderungen an lokalisierten Punkten überwachen können, können ULFBGs gleichzeitig auftretende Temperaturänderungen über ihre gesamte Länge überwachen, was ihnen sehr schnelle Detektion von Temperaturschwankungen ermöglicht, unabhängig von der Lage der Wärmequelle.

Obwohl dies bedeutet, dass der genaue Ort von Hotspots verschleiert wird, funktioniert es sehr gut in Systemen, wo frühe Identifikation eines Problems von größter Wichtigkeit ist, wie in einem operierenden Fusionsgerät. Und eine Kombination aus ULFBGs und FBGs könnte sowohl räumliche als auch zeitliche Auflösung bieten. Eine Gelegenheit für praktische Verifizierung kam durch ein CERN-Team, das mit Standard-FBGs an Beschleunigermagneten in der CERN-Anlage in Genf, Schweiz, arbeitete. „Sie dachten, FBG-Technologie, einschließlich des ULFBG-Konzepts, würde gut auf diesem Kabeltyp funktionieren und wollten es untersuchen, und stiegen in das Projekt ein“, sagt Salazar.

2019 reisten sie und Kollegen zur SULTAN-Anlage in Villigen, Schweiz, einem führenden Zentrum für supraleitende Kabelbewertung, betrieben vom Swiss Plasma Center (SPC), das mit der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne assoziiert ist, um VIPER-Kabelproben mit in Nuten auf ihren äußeren Kupfermänteln eingesetzten optischen Fasern zu evaluieren. Ihre Performance wurde mit traditionellen Spannungsabgriffen und Widerstandstemperatursensoren verglichen.

Die Forscher konnten kleine Temperaturstörungen unter realistischen Betriebsbedingungen schnell und zuverlässig detektieren, wobei die Fasern frühe Quench-Wachstumsphasen vor thermischem Durchgehen effektiver als Spannungsabgriffe aufnahmen. Im Vergleich zur herausfordernden elektromagnetischen Umgebung in einem Fusionsgerät war das Signal-Rausch-Verhältnis der Fasern mehrere Male besser; zusätzlich stieg ihre Sensitivität, als sich Quench-Regionen ausdehnten, und die Ansprechzeiten der Fasern konnten abgestimmt werden. Dies ermöglichte ihnen, Quench-Ereignisse zehn Sekunden schneller als Spannungsabgriffe zu detektieren, besonders bei langsam fortschreitenden Quenches – eine Charakteristik, die einzigartig für HTS ist und für Spannungsabgriffe in der Tokamak-Umgebung außerordentlich schwer zu detektieren ist und zu lokalisierten Schäden führen kann.

Arbeit läuft an der Verfeinerung der Platzierung und Installation der Fasern, einschließlich des verwendeten Klebstofftyps, und auch an der Untersuchung, wie die Fasern in anderen Kabeln und auf verschiedenen Plattformen installiert werden können, sagt Salazar.