La ricerca della fusione come sicurezza, senza carbonio, fonte di energia sempre attiva si è intensificata negli ultimi anni, con un certo numero di organizzazioni che perseguono tempistiche aggressive per dimostrazioni tecnologiche e progetti di centrali elettriche. I magneti superconduttori di nuova generazione sono un fattore abilitante fondamentale per molti di questi programmi, che crea un crescente bisogno di sensori, controlli, e altre infrastrutture che consentiranno ai magneti di funzionare in modo affidabile nelle dure condizioni di una centrale elettrica a fusione commerciale.

Un gruppo collaborativo guidato dalla dottoranda del Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleare (NSE) Erica Salazar ha recentemente fatto un passo avanti in questo settore con un nuovo metodo promettente per il rilevamento rapido di un'anomalia dirompente, estinguere, in potenti magneti superconduttori ad alta temperatura (HTS). Salazar ha lavorato con l'assistente professore dell'NSE Zach Hartwig del MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) e Michael Segal dello spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), insieme ai membri del centro di ricerca svizzero CERN e del Robinson Research Institute (RRI) della Victoria University in Nuova Zelanda per ottenere i risultati, che sono stati pubblicati sulla rivista Scienza e tecnologia dei superconduttori .

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L'estinzione si verifica quando una parte della bobina di un magnete esce da uno stato superconduttore, dove non ha resistenza elettrica, e in uno stato resistivo normale. Questo fa sì che la massiccia corrente che scorre attraverso la bobina, e l'energia immagazzinata nel magnete, trasformarsi rapidamente in calore, e potenzialmente causare gravi danni interni alla bobina.

Mentre l'estinzione è un problema per tutti i sistemi che utilizzano magneti superconduttori, Il team di Salazar è concentrato sulla prevenzione nelle centrali elettriche basate su dispositivi di fusione a confinamento magnetico. Questi tipi di dispositivi di fusione, conosciuti come tokamak, manterrà un plasma a temperature estremamente elevate, simile al nucleo di una stella, dove può avvenire la fusione e generare una produzione di energia netta positiva. Nessun materiale fisico può sopportare quelle temperature, quindi i campi magnetici sono usati per confinare, controllo, e isolare il plasma. I nuovi magneti HTS consentono all'involucro magnetico toroidale (a forma di ciambella) del tokamak di essere sia più forte che più compatto, ma le interruzioni nel campo magnetico dovute all'estinzione fermerebbero il processo di fusione, da qui l'importanza di sensori migliorati e capacità di controllo.

Con questo in testa, Il gruppo di Salazar ha cercato un modo per individuare rapidamente i cambiamenti di temperatura nei superconduttori, che possono indicare incidenti di spegnimento nascente. Il loro banco di prova era un nuovo cavo superconduttore sviluppato nel programma SPARC noto come VIPER, che incorpora assemblaggi di nastro d'acciaio sottile rivestito con materiale HTS, stabilizzato da un formatore di rame e rivestito in rame e acciaio inossidabile, con canale centrale per il raffreddamento criogenico. Le bobine di VIPER possono generare campi magnetici da due a tre volte più forti del cavo superconduttore a bassa temperatura (LTS) di vecchia generazione; questo si traduce in una potenza di uscita della fusione notevolmente più elevata, ma aumenta anche la densità di energia del campo, che pone più onere sul rilevamento dell'estinzione per proteggere la bobina.

Un focus sulla fattibilità della fusione

La squadra di Salazar come l'intero impegno di ricerca e sviluppo SPARC, ha affrontato il suo lavoro con un focus sulla eventuale commercializzazione, usabilità, e facilità di fabbricazione, con un occhio verso l'accelerazione della fattibilità della fusione come fonte di energia. Il suo background come ingegnere meccanico presso la General Atomics durante la produzione e il collaudo dei magneti LTS per l'impianto internazionale di fusione ITER in Francia le ha fornito una prospettiva sulle tecnologie di rilevamento e sulla transizione critica dalla progettazione alla produzione.

"Passare dalla produzione al design mi ha aiutato a pensare se ciò che stiamo facendo è un'implementazione pratica, " spiega Salazar. Inoltre, la sua esperienza con il monitoraggio della tensione, il tradizionale approccio di rilevamento dello spegnimento per cavi superconduttori, l'ha portata a pensare che fosse necessario un approccio diverso. "Durante il test di guasto dei magneti ITER, abbiamo osservato la rottura elettrica dell'isolamento che si verifica sui fili della presa di tensione. Perché ora considero tutto ciò che rompe l'isolamento ad alta tensione come un grosso punto di rischio, la mia prospettiva su un sistema di rilevamento dell'estinzione era, cosa facciamo per ridurre al minimo questi rischi, e come possiamo renderlo il più robusto possibile?"

Un'alternativa promettente era la misurazione della temperatura utilizzando fibre ottiche iscritte con microschemi noti come reticoli di Bragg in fibra (FBG). Quando la luce a banda larga è diretta su un FBG, la maggior parte della luce passa attraverso, ma una lunghezza d'onda (determinata dalla spaziatura, o periodo, del reticolo) si riflette. La lunghezza d'onda riflessa varia leggermente sia con la temperatura che con la deformazione, quindi il posizionamento di una serie di griglie con periodi diversi lungo la fibra consente il monitoraggio indipendente della temperatura di ciascuna posizione.

Sebbene gli FBG siano stati utilizzati in molti settori diversi per la misurazione della deformazione e della temperatura, anche su cavi superconduttori molto più piccoli, non erano stati utilizzati su cavi più grandi con densità di corrente elevate come VIPER. "Volevamo prendere un buon lavoro da altri e metterlo alla prova sul nostro design dei cavi, " afferma Salazar. Il cavo VIPER si è adattato bene a questo approccio, lei nota, grazie alla sua struttura stabile, che è progettato per resistere alle intense sollecitazioni elettriche, meccanico, e le sollecitazioni elettromagnetiche dell'ambiente di un magnete a fusione.

Una nuova estensione sugli FBG

Una nuova opzione è stata fornita dal team RRI sotto forma di reticoli di Bragg a fibra ultra lunga (ULFBG), una serie di FBG di 9 mm distanziati di 1 mm l'uno dall'altro. Questi si comportano essenzialmente come un lungo FBG quasi continuo, ma con il vantaggio che la lunghezza della griglia combinata può essere di metri anziché millimetri. Mentre gli FBG convenzionali possono monitorare le variazioni di temperatura in punti localizzati, Gli ULFBG possono monitorare i cambiamenti di temperatura che si verificano simultaneamente lungo tutta la loro lunghezza, consentendo loro di fornire un rilevamento molto rapido della variazione di temperatura, indipendentemente dall'ubicazione della fonte di calore.

Sebbene ciò significhi che la posizione precisa dei punti caldi è oscurata, funziona molto bene nei sistemi in cui l'identificazione precoce di un problema è della massima importanza, come in un dispositivo di fusione operativo. E una combinazione di ULFBG e FBG potrebbe fornire una risoluzione sia spaziale che temporale.

Un'opportunità per la verifica pratica è arrivata tramite un team del CERN che lavorava con FBG standard su magneti acceleratori presso la struttura del CERN di Ginevra, Svizzera. "Pensavano che la tecnologia FBG, compreso il concetto ULFBG, funzionerebbe bene su questo tipo di cavo e volevo esaminarlo, e si è unito al progetto, "dice Salazar.

Nel 2019, lei e i suoi colleghi si sono recati alla struttura SULTAN di Villigen, Svizzera, un centro leader per la valutazione dei cavi superconduttori gestito dallo Swiss Plasma Center (SPC), che è affiliata all'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, per valutare campioni di cavo VIPER con fibre ottiche inserite in scanalature sulle loro guaine di rame esterne. Le loro prestazioni sono state confrontate con le tradizionali prese di tensione e sensori di temperatura a resistenza.

Rilevamento rapido in condizioni realistiche

I ricercatori sono stati in grado di rilevare in modo rapido e affidabile piccoli disturbi di temperatura in condizioni operative realistiche, con le fibre che raccolgono la crescita dell'estinzione nella fase iniziale prima dell'instabilità termica in modo più efficace rispetto alle prese di tensione. Rispetto al difficile ambiente elettromagnetico visto in un dispositivo di fusione, il rapporto segnale-rumore delle fibre era parecchie volte migliore; Inoltre, la loro sensibilità aumentava con l'espansione delle regioni di quench, e i tempi di risposta delle fibre potrebbero essere sintonizzati. Ciò ha permesso loro di rilevare gli eventi di spegnimento decine di secondi più velocemente rispetto alle prese di tensione, specialmente durante i quench a propagazione lenta, una caratteristica unica di HTS che è eccezionalmente difficile da rilevare per le prese di tensione nell'ambiente tokamak, e che possono portare a danni localizzati.

" cantare le tecnologie in fibra ottica per il rilevamento dell'estinzione dei magneti HTS o come metodo di verifica doppia con tensione mostrano grandi promesse, "dice il resoconto del gruppo, che cita anche la producibilità e il rischio tecnologico minimo dell'approccio.