保持托卡马克聚变电厂运行的新型光纤温度传感方法

麻省理工学院的埃里卡·萨拉查（Erica Salazar）表明，对热位移的更快检测可以防止在托卡马克聚变设备中使用的高温超导磁体产生破坏性的猝灭事件。

近年来，越来越多的组织寻求将聚变技术作为一种安全，无碳，始终在线的能源，许多组织都在为技术演示和电厂设计制定严格的时间表。新一代超导磁体是许多此类计划的关键推动力，这导致对传感器，控件和其他基础设施的需求不断增长，这些需求将使磁体能够在商业聚变电站的严酷条件下可靠地运行。

由核科学与工程系（NSE）博士生Erica Salazar领导的一个协作小组最近在这一领域迈出了一步，提出了一种有前途的新方法，该方法可以快速检测强大的高温超导（HTS）中的破坏性异常，淬灭。磁铁。Salazar与MIT等离子体科学与融合中心（PSFC）的NSE助理教授Zach Hartwig和衍生出来的联邦融合系统（CFS）的Michael Segal以及瑞士CERN研究中心和维多利亚州罗宾逊研究所（RRI）的成员一起工作新西兰大学取得了成果，该成果发表在《超导科学和技术》杂志上。

淬火淬火

当磁体线圈的一部分从没有电阻的超导状态转变为正常电阻状态时，就会发生淬火。这会导致大量电流流过线圈，并在磁体中存储能量，从而迅速转化为热量，并可能对线圈造成严重的内部损坏。

尽管淬火对于所有使用超导磁体的系统都是一个问题，但Salazar的团队致力于在基于磁约束聚变设备的发电厂中防止淬火。这些类型的聚变设备，称为托卡马克，将在极高的温度下维持等离子体，类似于恒星的核心，在该处可能发生聚变并产生净正能量输出。没有物理材料可以承受这些温度，因此使用磁场来限制，控制和绝缘等离子体。新型HTS磁体使托卡马克的环形（甜甜圈形）磁性外壳既坚固又紧凑，但是由于淬火而产生的磁场干扰将使融合过程停止，因此提高传感器和控制能力的重要性。

与SPARC的整个研发工作一样，Erica Salazar和她的团队在进行工作时着重于最终的商业化，可用性和易制造性，并着眼于加速聚变作为能源的可行性。

考虑到这一点，萨拉萨尔（Salazar）的小组寻求一种快速发现超导体中温度变化的方法，该温度变化可以指示新生的淬火事件。他们的测试台是在SPARC计划中开发的一种新型超导电缆，称为VIPER，该电缆包含涂有HTS材料的薄钢带组件，该组件由铜管稳定并由铜和不锈钢制成护套，并具有用于低温冷却的中央通道。VIPER的线圈产生的磁场强度比旧的低温超导（LTS）电缆强2至3倍；这不仅转化为更高的聚变输出功率，而且还提高了磁场的能量密度，这在淬灭检测上有更多的责任来保护线圈。

专注于融合的可行性

与SPARC的整个研发工作一样，Salazar的团队在进行工作时着重于最终的商业化，可用性和易制造性，并着眼于加快聚变作为能源的可行性。她曾在法国国际ITER聚变设施的LTS磁体生产和测试期间担任General Atomics的机械工程师，这使她对传感技术和从关键的设计到生产的过渡充满了洞察力。

Salazar解释说：“从制造转向设计，这让我思考了我们所做的是否是切实可行的实施。”此外，她在电压监测方面的经验（传统的超导电缆失超检测方法）使她认为需要另一种方法。“在对ITER磁铁进行故障测试期间，我们观察到电压抽头导线上发生绝缘层的电击穿。因为我现在认为破坏高压绝缘的任何事情都是主要的风险点，所以我对失超检测系统的看法是，我们将如何最大程度地降低这些风险，以及如何使它尽可能地坚固？”

一种有前途的替代方法是使用刻有称为光纤布拉格光栅（FBG）的微图案的光纤进行温度测量。当宽带光射向FBG时，大多数光会通过，但是会反射一个波长（由光栅图案的间隔或周期确定）。反射的波长随温度和应变而略有变化，因此沿光纤放置一系列具有不同周期的光栅可以对每个位置进行独立的温度监控。

尽管FBG已在许多不同的行业中用于测量应变和温度，包括在较小的超导电缆上，但并没有在像VIPER这样的高电流密度的较大电缆上使用。Salazar说：“我们希望别人努力工作，并在我们的电缆设计上进行测试。”她指出，VIPER电缆非常适合这种方法，因为它的结构稳定，旨在承受聚变磁体环境的强烈电，机械和电磁应力。

FBG的新扩展

RRI团队以超长光纤布拉格光栅（ULFBG）的形式提供了一种新颖的选择，即一系列间隔1毫米的9毫米FBG。它们本质上就像一个长的准连续FBG，但具有的优点是组合光栅的长度可以是几米而不是毫米。传统的FBG可以监视局部温度变化，而ULFBG可以监视沿其整个长度同时发生的温度变化，从而不管热源的位置如何，它们都可以非常快速地检测温度变化。

尽管这意味着热点的精确位置被遮盖了，但它在早期识别问题至关重要的系统中（如在运行中的融合设备中）非常有效。ULFBG和FBG的组合可以同时提供空间和时间分辨率。

一个实践验证的机会来自CERN团队与位于瑞士日内瓦CERN的加速器磁铁上的标准FBG一起工作。“他们认为包括ULFBG概念在内的FBG技术在这种类型的电缆上可以很好地工作，并希望对其进行研究，并参与该项目，” Salazar说。

2019年，她和同事前往位于瑞士维利根的SULTAN工厂，该实验室是瑞士洛桑联邦理工学院附属的瑞士等离子中心（SPC）运营的领先的超导电缆评估中心，可通过光学方法评估VIPER电缆样品纤维固定在其外部铜套上的凹槽中。将它们的性能与传统的电压分接头和电阻温度传感器进行了比较。

在现实条件下快速检测

研究人员能够在现实的工作条件下快速而可靠地检测到较小的温度干扰，使纤维在热失控之前比电压分接头更有效地吸收了早期的淬火生长。与在融合设备中看到的具有挑战性的电磁环境相比，光纤的信噪比要好几倍。此外，它们的灵敏度随着淬火区域的扩大而增加，并且可以调整纤维的响应时间。这使他们能够比电压分接头更快地检测出淬火事件，特别是在缓慢传播的淬火过程中，这是HTS的独特特性，这对于电压分接头在托卡马克环境中异常难以检测，并且可能导致局部损坏。

该小组的文章说：“使用光纤技术进行高温超导磁体的失超检测或作为带电压的双重验证方法显示出了很大的希望。”该论文还指出，这种方法的可制造性和最小的技术风险。

与研究工作无关的布鲁克海文国家实验室磁铁部门的负责人凯瑟琳·阿姆（Kathleen Amm）指出：“使用FBG进行灵敏的温度测量是解决极具挑战性的问题的极有希望的方法，该问题是防止高温超导线圈在淬火期间损坏。“这对于诸如紧凑型融合等改变游戏规则的技术至关重要，实用，高磁场，高温的超导磁体是关键技术，它还具有解决许多工业高温超导应用中的失超保护问题的潜力。 。”

Salazar说，目前正在努力改善光纤的位置和安装，包括所用粘合剂的类型，还正在研究如何将光纤安装在其他电缆和不同平台上。

“我们与CFS进行了很多对话，并继续与RRI团队的ULFBG技术进行协调，并且我目前正在创建3D淬火动力学模型，因此我们可以更好地理解和预测不同条件下的淬火情况，萨拉萨尔（Salazar）说。“然后，我们可以为检测系统制定设计建议，例如光栅的类型和间距，以便它可以在所需的时间长度内进行检测。这样一来，控制工程师和研究淬火检测算法的工程师就可以编写和优化代码。”

Salazar赞扬了实验团队出色的协作能力，并指出：“与RRI和CERN的合作非常特别。我们所有人都汇聚在瑞士，一起努力，并且很开心投入我们的努力并取得了丰硕的成果。”

参考：Erica E Salazar，Rodney A Badcock，Marta Bajko，Bernardo Castaldo，Mike Davies，Jose Estrada，Vincent Fry，Jofferson的“ Erica E Salazar，Rodney A Badcock，Marta Bajko，Sultan设施在高保真测试中在VIPER电缆上展示了对大型HTS磁体的光纤失超检测T·冈萨雷斯（T.冈萨雷斯），菲利普·C·迈克尔（Philip C Michael），迈克尔·西格尔（Michael Segal），鲁伊·维埃拉（Rui F Vieira）和扎卡里·S·哈特维格（Zachary S Hartwig），2021年2月4日，超导体科学技术。
10.1088 / 1361-6668 / abdba8

这项研究的资金由粮安委提供。