Sensores de temperatura de fibra óptica revolucionarios podrían asegurar operación confiable de plantas de energía de fusión

La búsqueda de fusión como fuente de energía segura, libre de carbono y siempre activa se ha intensificado en años recientes, con varias organizaciones persiguiendo líneas de tiempo agresivas para demostraciones de tecnología y diseños de plantas de energía. Nuevos imanes superconductoras de nueva generación son un habilitador crítico para muchos de estos programas, lo que crea una necesidad creciente de sensores, controles y otra infraestructura que permitirá a los imanes operar confiablemente en las duras condiciones de una planta de energía de fusión comercial.

Un grupo colaborativo liderado por la doctoranda Erica Salazar del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) dio recientemente un paso adelante en esta área con un nuevo método prometedor para detección rápida de una anomalía disruptiva, quench, en poderosos imanes superconductoras de alta temperatura (HTS). El quench ocurre cuando parte de la bobina de un imán cambia de un estado superconductor, donde no tiene resistencia eléctrica, a un estado resistivo normal. Esto causa que la corriente masiva que fluye a través de la bobina, y la energía almacenada en el imán, se convierta rápidamente en calor, y potencialmente cause daño interno serio a la bobina.

Mientras que el quench es un problema para todos los sistemas que usan imanes superconductoras, el equipo de Salazar se enfoca en prevenirlo en plantas de energía basadas en dispositivos de fusión de confinamiento magnético. Estos tipos de dispositivos de fusión, conocidos como tokamaks, mantendrán un plasma a temperatura extremadamente alta, similar al núcleo de una estrella, donde la fusión puede ocurrir y generar salida de energía neta positiva. Ningún material físico puede manejar esas temperaturas, así que campos magnéticos se usan para confinar, controlar y aislar el plasma. Los nuevos imanes HTS permiten que el recinto magnético toroidal (forma de dona) del tokamak sea tanto más fuerte como más compacto, pero interrupciones en el campo magnético por quench detendrían el proceso de fusión — de ahí la importancia de capacidades mejoradas de sensores y control.

Con esto en mente, el grupo de Salazar buscó una forma de detectar rápidamente cambios de temperatura en los superconductores, que pueden indicar incidentes de quench nascentes. Su banco de prueba fue un cable superconductor novedoso desarrollado en el programa SPARC conocido como VIPER, que incorpora ensamblajes de cinta de acero delgado recubierta con material HTS, estabilizada por un formador de cobre y revestida en cobre y acero inoxidable, con un canal central para enfriamiento criogénico. Bobinas de VIPER pueden generar campos magnéticos dos a tres veces más fuertes que el cable superconductor de baja temperatura (LTS) de generación anterior; esto se traduce en potencia de fusión de salida mucho mayor, pero también hace que la densidad de energía del campo sea mayor, lo que pone más énfasis en la detección de quench para proteger la bobina.

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

Una alternativa prometedora fue medición de temperatura usando fibras ópticas inscritas con micro-patrones conocidos como rejillas de Bragg en fibra (FBG). Cuando luz de banda ancha se dirige a un FBG, la mayor parte de la luz pasa a través, pero una longitud de onda (determinada por el espaciado, o período, del patrón de la rejilla) es reflejada. La longitud de onda reflejada varía ligeramente con tanto temperatura como tensión, así que la colocación de una serie de rejillas con diferentes períodos a lo largo de la fibra permite monitoreo de temperatura independiente de cada ubicación.

Mientras que FBGs han sido aprovechados en muchas industrias diferentes para medición de tensión y temperatura, incluyendo en cables superconductoras mucho más pequeños, no habían sido usados en cables más grandes con altas densidades de corriente como VIPER. "El cable VIPER estaba bien adaptado para este enfoque, señala Salazar, debido a su estructura estable, diseñada para soportar los intensos esfuerzos eléctricos, mecánicos y electromagnéticos del ambiente de un imán de fusión.

Una opción novedosa fue provista por el equipo RRI en forma de rejillas de Bragg en fibra ultra-largas (ULFBG) — una serie de FBGs de 9 milímetros espaciados 1 mm aparte. Estos esencialmente se comportan como un solo FBG cuasi-continuo, pero con la ventaja de que la longitud combinada de la rejilla puede ser de metros en lugar de milímetros. Mientras que FBGs convencionales pueden monitorear cambios de temperatura en puntos localizados, ULFBGs pueden monitorear simultáneamente cambios de temperatura ocurriendo a lo largo de toda su longitud, permitiéndoles proporcionar detección muy rápida de variación de temperatura, independientemente de la ubicación de la fuente de calor.

Aunque esto significa que la ubicación precisa de puntos calientes se obscurece, funciona muy bien en sistemas donde la identificación temprana de un problema es de suma importancia, como en un dispositivo de fusión operando. Y una combinación de ULFBGs y FBGs podría proporcionar resolución tanto espacial como temporal. Una oportunidad para verificación práctica vino vía un equipo de CERN trabajando con FBGs estándar en imanes de acelerador en la instalación CERN en Ginebra, Suiza. "Pensaron que la tecnología FBG, incluyendo el concepto ULFBG, funcionaría bien en este tipo de cable y quisieron investigarlo, y se unieron al proyecto", dice Salazar.

En 2019, ella y colegas viajaron a la instalación SULTAN en Villigen, Suiza, un centro líder para evaluación de cables superconductoras operado por el Centro Suizo de Plasma (SPC), afiliado a la Escuela Politécnica Federal de Lausana, para evaluar muestras de cable VIPER con fibras ópticas puestas en ranuras en sus chaquetas de cobre externas. Su rendimiento se comparó con tomas de voltaje tradicionales y sensores de temperatura de resistencia.

Los investigadores pudieron detectar rápida y confiablemente pequeñas perturbaciones de temperatura bajo condiciones operativas realistas, con las fibras detectando crecimiento de quench en etapa temprana antes de fuga térmica más efectivamente que las tomas de voltaje. Cuando se comparó con el desafiante ambiente electromagnético visto en un dispositivo de fusión, la relación señal-ruido de las fibras fue varias veces mejor; además, su sensibilidad aumentó a medida que las regiones de quench se expandieron, y los tiempos de respuesta de las fibras pudieron sintonizarse. Esto les permitió detectar eventos de quench decenas de segundos más rápido que tomas de voltaje, especialmente durante quenches de propagación lenta — una característica única de HTS que es excepcionalmente difícil para tomas de voltaje detectar en el ambiente tokamak, y que puede llevar a daño localizado.

El trabajo está en marcha refinando la ubicación e instalación de las fibras, incluyendo el tipo de adhesivo usado, y también investigando cómo las fibras pueden instalarse en otros cables y en diferentes plataformas, dice Salazar.