Un nuevo enfoque de detección de temperatura de fibra óptica podría mantener en funcionamiento las plantas de energía de fusión

La búsqueda de la fusión como una fuente de energía segura, libre de carbono y siempre activa se ha intensificado en los últimos años, con varias organizaciones que buscan 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, controles y otra infraestructura que permita que los imanes funcionen de manera confiable en las duras condiciones de una planta de energía de fusión comercial.

Un grupo de colaboración 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 anormalidad disruptiva, la extinción, en un poderoso superconductor de alta temperatura (HTS) imanes La extinción ocurre cuando parte de la bobina de un imán sale de un estado superconductor, donde no tiene resistencia eléctrica, y pasa a un estado resistivo normal. Esto hace que la corriente masiva que fluye a través de la bobina y la energía almacenada en el imán se conviertan rápidamente en calor y causen potencialmente daños internos graves a la bobina.

Si bien la extinción es un problema para todos los sistemas que utilizan imanes superconductores, el equipo de Salazar se centra en prevenirla en las centrales eléctricas basadas en dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos tipos de dispositivos de fusión, conocidos como tokamaks, mantendrán un plasma a una temperatura extremadamente alta, similar al núcleo de una estrella, donde puede ocurrir la fusión y generar una salida neta de energía positiva. Ningún material físico puede soportar esas temperaturas, por lo que se utilizan campos magnéticos para confinar, controlar y aislar el plasma. Los nuevos imanes HTS permiten que la caja magnética toroidal (en forma de rosquilla) del tokamak sea más fuerte 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 sensor y control.

Con esto en mente, el grupo de Salazar buscó una forma de detectar rápidamente los cambios de temperatura en los superconductores, lo que puede indicar incidentes de enfriamiento incipientes. Su banco de pruebas fue un novedoso cable superconductor desarrollado en el programa SPARC conocido como VIPER, que incorpora ensamblajes de cinta de acero delgada recubierta con material HTS, estabilizada por un formador de cobre y revestida de 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 hace que la densidad de energía del campo sea más alta, lo que aumenta la responsabilidad de la detección de extinción para proteger la bobina.

El equipo de Salazar, como todo el esfuerzo de investigación y desarrollo de SPARC, abordó su trabajo centrándose en la comercialización final, la usabilidad y la 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 su perspectiva sobre las tecnologías de detección y la transición crítica del diseño a la producción.

Una alternativa prometedora era la medición de la temperatura mediante 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 pasa, pero se refleja una longitud de onda (determinada por el espacio o período del patrón de la rejilla). 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 el control independiente de la temperatura 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. “El cable VIPER se adaptó bien a este enfoque, señala Salazar, debido a su estructura estable, que está diseñada para resistir las intensas tensiones eléctricas, mecánicas y electromagnéticas del entorno de un imán de fusión.

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

Aunque esto significa que se oscurece la ubicación precisa de los puntos calientes, funciona muy bien en sistemas donde la identificación temprana de un problema es de suma importancia, como en un dispositivo de fusión en funcionamiento. 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 trabajaba con FBG estándar en imanes de acelerador en las instalaciones del CERN en Ginebra, Suiza. “Pensaron que la tecnología FBG, incluido el concepto ULFBG, funcionaría bien en este tipo de cable y querían investigarlo, y se sumaron 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 Swiss Plasma Center (SPC), afiliado 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.

Los investigadores pudieron detectar de manera rápida y confiable pequeñas alteraciones de temperatura en condiciones operativas realistas, y las fibras recuperaron el crecimiento de enfriamiento rápido en la etapa inicial antes de la fuga térmica de manera más efectiva que las derivaciones de voltaje. En comparación con el entorno electromagnético desafiante que se ve 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 pudieron ajustar los tiempos de respuesta de las fibras. Esto les permitió detectar eventos de extinción decenas de segundos más rápido que las derivaciones de voltaje, especialmente durante las atenuaciones de propagación lenta, una característica exclusiva de HTS que es excepcionalmente difícil de detectar para las derivaciones de voltaje en el entorno tokamak y que puede provocar daños localizados.

Se está trabajando para refinar la ubicación e instalación de las fibras, incluido el tipo de adhesivo utilizado, y también para investigar cómo se pueden instalar las fibras en otros cables y en diferentes plataformas, dice Salazar.