La búsqueda de la fusión como caja fuerte, libre de carbono fuente de energía siempre activa se ha intensificado en los últimos años, con varias organizaciones que persiguen cronogramas agresivos para demostraciones de tecnología y diseños de plantas de energía. Los imanes superconductores de nueva generación son un habilitador crítico para muchos de estos programas, lo que crea una creciente necesidad de sensores, control S, y otra infraestructura que permitirá que los imanes funcionen de manera confiable en las duras condiciones de una planta de energía de fusión comercial.

Un grupo colaborativo liderado por la estudiante de doctorado del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE), Erica Salazar, recientemente dio un paso adelante en esta área con un nuevo método prometedor para la detección rápida de una anomalía disruptiva. aplacar, en potentes imanes superconductores de alta temperatura (HTS). Salazar trabajó con el profesor asistente de NSE Zach Hartwig del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) y Michael Segal del spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), junto con miembros del centro de investigación suizo CERN y el Instituto de Investigación Robinson (RRI) de la Universidad Victoria en Nueva Zelanda para lograr los resultados, que fueron publicados en la revista Ciencia y tecnología de superconductores .

Enfriar

El enfriamiento se produce cuando parte de la bobina de un imán sale de un estado superconductor, donde no tiene resistencia eléctrica, y en un estado resistivo normal. Esto hace que la corriente masiva que fluye a través de la bobina, y energía almacenada en el imán, para convertir rápidamente en calor, y potencialmente causar serios daños internos a la bobina.

Si bien el enfriamiento es un problema para todos los sistemas que utilizan imanes superconductores, El equipo de Salazar está enfocado en prevenirlo en centrales eléctricas basadas en dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos tipos de dispositivos de fusión, conocido como tokamaks, mantendrá un plasma a una temperatura extremadamente alta, similar al núcleo de una estrella, donde la fusión puede ocurrir y generar energía neta positiva. Ningún material físico puede soportar esas temperaturas, por lo que los campos magnéticos se utilizan para confinar, control, y aislar el plasma. Los nuevos imanes HTS permiten que la carcasa magnética toroidal (en forma de rosquilla) del tokamak sea más resistente y más compacta. pero las interrupciones en el campo magnético debido a la extinción detendrían el proceso de fusión, de ahí la importancia de mejorar las capacidades de control y sensor.

Teniendo esto en cuenta, El grupo de Salazar buscó una forma de detectar rápidamente los cambios de temperatura en los superconductores, lo que puede indicar incidentes de extinción incipientes. Su banco de pruebas fue un cable superconductor novedoso desarrollado en el programa SPARC conocido como VIPER, que incorpora conjuntos de cinta fina de acero recubierta con material HTS, estabilizado por un formador de cobre y revestido en cobre y acero inoxidable, con un canal central para enfriamiento criogénico. Las bobinas de VIPER pueden generar campos magnéticos de dos a tres veces más fuertes que el cable superconductor de baja temperatura (LTS) de generación anterior; esto se traduce en una potencia de salida de fusión mucho mayor, pero también aumenta la densidad de energía del campo, lo que coloca más responsabilidad en la detección de enfriamiento para proteger la bobina.

Un enfoque en la viabilidad de la fusión

El equipo de Salazar, como todo el esfuerzo de investigación y desarrollo de SPARC, abordó su trabajo con un enfoque en la eventual comercialización, usabilidad y facilidad de fabricación, con miras a acelerar la viabilidad de la fusión como fuente de energía. Su experiencia como ingeniera mecánica en General Atomics durante la producción y prueba de imanes LTS para la instalación de fusión internacional ITER en Francia le dio una perspectiva sobre las tecnologías de detección y la transición crítica del diseño a la producción.

"Pasar de la fabricación al diseño me ayudó a pensar si lo que estamos haciendo es una implementación práctica, "explica Salazar. Además, su experiencia con el monitoreo de voltaje, el enfoque tradicional de detección de enfriamiento para cables superconductores, la llevó a pensar que se necesitaba un enfoque diferente. "Durante la prueba de fallos de los imanes ITER, observamos una ruptura eléctrica del aislamiento que se produce en los cables de derivación de voltaje. Debido a que ahora considero que cualquier cosa que rompa el aislamiento de alto voltaje es un punto de riesgo importante, mi perspectiva sobre un sistema de detección de enfriamiento era, ¿Qué hacemos para minimizar estos riesgos? y ¿cómo podemos hacerlo lo más robusto posible? "

Una alternativa prometedora fue la medición de temperatura utilizando fibras ópticas inscritas con micropatrones conocidos como rejillas de fibra de Bragg (FBG). Cuando la luz de banda ancha se dirige a un FBG, la mayor parte de la luz atraviesa, pero una longitud de onda (determinada por el espaciamiento, o período, del patrón de la rejilla) se refleja. La longitud de onda reflejada varía ligeramente con la temperatura y la tensión, por lo que la colocación de una serie de rejillas con diferentes períodos a lo largo de la fibra permite un control de temperatura independiente de cada ubicación.

Si bien los FBG se han aprovechado en muchas industrias diferentes para medir la tensión y la temperatura, incluso en cables superconductores mucho más pequeños, no se habían utilizado en cables más grandes con altas densidades de corriente como VIPER. "Queríamos aprovechar el buen trabajo de otros y ponerlo a prueba en el diseño de nuestro cable, "dice Salazar. El cable VIPER se adaptó bien para este enfoque, ella nota, debido a su estructura estable, que está diseñado para soportar la intensa electricidad, mecánico, y tensiones electromagnéticas del entorno de un imán de fusión.

Una nueva extensión de FBG

El equipo de RRI proporcionó una nueva opción en forma de rejillas de Bragg de fibra ultralarga (ULFBG), una serie de FBG de 9 milímetros con una separación de 1 mm. Estos esencialmente se comportan como un largo FBG cuasi-continuo, pero con la ventaja de que la longitud combinada de la rejilla puede ser de metros en lugar de milímetros. Si bien los FBG convencionales pueden monitorear los cambios de temperatura en puntos localizados, Los ULFBG pueden monitorear los cambios de temperatura que ocurren simultáneamente a lo largo de toda su longitud, permitiéndoles proporcionar una detección muy rápida de la variación de temperatura, independientemente de la ubicación de la fuente de calor.

Aunque esto significa que la ubicación precisa de los puntos calientes está oculta, Funciona muy bien en sistemas donde la identificación temprana de un problema es de suma importancia, como en un dispositivo de fusión operativo. Y una combinación de ULFBG y FBG podría proporcionar resolución espacial y temporal.

Una oportunidad para la verificación práctica llegó a través de un equipo del CERN que trabaja con FBG estándar en imanes aceleradores en las instalaciones del CERN en Ginebra. Suiza. "Ellos pensaron que la tecnología FBG, incluido el concepto ULFBG, funcionaría bien en este tipo de cable y quería examinarlo, y se unió al proyecto, "dice Salazar.

En 2019, ella y sus colegas viajaron a las instalaciones de SULTAN en Villigen, Suiza, un centro líder para la evaluación de cables superconductores operado por el Swiss Plasma Center (SPC), que está afiliada a Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, para evaluar muestras de cable VIPER con fibras ópticas colocadas en ranuras en sus cubiertas exteriores de cobre. Su rendimiento se comparó con las tomas de voltaje tradicionales y los sensores de temperatura de resistencia.

Detección rápida en condiciones realistas

Los investigadores pudieron detectar de forma rápida y fiable pequeñas perturbaciones de temperatura en condiciones de funcionamiento realistas. con las fibras recogiendo el crecimiento de enfriamiento en etapa temprana antes de la fuga térmica de manera más efectiva que las tomas de voltaje. En comparación con el desafiante entorno electromagnético que se observa en un dispositivo de fusión, la relación señal / ruido de las fibras fue varias veces mejor; además, su sensibilidad aumentó a medida que se expandieron las regiones de extinción, y se podrían ajustar los tiempos de respuesta de las fibras. Esto les permitió detectar eventos de extinción decenas de segundos más rápido que las tomas de voltaje, especialmente durante apagones de propagación lenta, una característica única de HTS que es excepcionalmente difícil de detectar para las tomas de voltaje en el entorno de tokamak, y que puede provocar daños localizados.

" Las tecnologías de fibra óptica sing para la detección de enfriamiento de los imanes HTS o como un método de verificación dual con voltaje muestran una gran promesa, "dice el artículo del grupo, que también cita la capacidad de fabricación y el riesgo tecnológico mínimo del enfoque.