A busca da fusão como um seguro, livre de carbono, fonte de energia sempre ativa intensificou-se nos últimos anos, com várias organizações buscando cronogramas agressivos para demonstrações de tecnologia e projetos de usinas de energia. Os ímãs supercondutores de nova geração são um facilitador crítico para muitos desses programas, o que cria uma necessidade crescente de sensores, controles, e outra infraestrutura que permitirá que os ímãs operem de forma confiável nas condições adversas de uma usina de fusão comercial.

Um grupo colaborativo liderado pela estudante de doutorado do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE), Erica Salazar, recentemente deu um passo à frente nesta área com um novo método promissor para a detecção rápida de uma anomalia disruptiva, extinguir, em poderosos ímãs supercondutores de alta temperatura (HTS). Salazar trabalhou com o professor assistente Zach Hartwig do MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) e Michael Segal do spinout Commonwealth Fusion Systems (CFS), junto com membros do centro de pesquisa do CERN suíço e do Instituto de Pesquisa Robinson (RRI) da Victoria University na Nova Zelândia para alcançar os resultados, que foram publicados no jornal Ciência e tecnologia do supercondutor .

Têmpera de estanqueidade

A têmpera ocorre quando parte da bobina de um ímã sai de um estado supercondutor, onde não tem resistência elétrica, e em um estado resistivo normal. Isso faz com que a corrente maciça flua através da bobina, e energia armazenada no ímã, para se converter rapidamente em calor, e potencialmente causar sérios danos internos à bobina.

Embora a têmpera seja um problema para todos os sistemas que usam ímãs supercondutores, A equipe de Salazar está focada na prevenção em usinas de energia baseadas em dispositivos de fusão de confinamento magnético. Esses tipos de dispositivos de fusão, conhecidos como tokamaks, manterá um plasma em temperatura extremamente alta, semelhante ao núcleo de uma estrela, onde a fusão pode ocorrer e gerar saída de energia positiva líquida. Nenhum material físico pode lidar com essas temperaturas, então os campos magnéticos são usados ​​para confinar, ao controle, e isolar o plasma. Os novos ímãs HTS permitem que o invólucro magnético toroidal (em forma de donut) do tokamak seja mais forte e mais compacto, mas as interrupções no campo magnético da têmpera interromperiam o processo de fusão - daí a importância de sensores aprimorados e capacidades de controle.

Com isso em mente, O grupo de Salazar procurou uma maneira de detectar rapidamente as mudanças de temperatura nos supercondutores, o que pode indicar incidentes de têmpera nascentes. Sua base de teste foi um novo cabo supercondutor desenvolvido no programa SPARC conhecido como VIPER, que incorpora conjuntos de fita de aço fina revestida com material HTS, estabilizado por um formador de cobre e revestido em cobre e aço inoxidável, com um canal central para resfriamento criogênico. As bobinas de VIPER podem gerar campos magnéticos duas a três vezes mais fortes do que os cabos supercondutores de baixa temperatura (LTS) da geração mais antiga; isso se traduz em uma potência de saída de fusão muito maior, mas também aumenta a densidade de energia do campo, o que coloca mais ônus na detecção de resfriamento para proteger a bobina.

Um foco na viabilidade da fusão

A equipe de Salazar, como todo o esforço de pesquisa e desenvolvimento SPARC, abordou seu trabalho com foco na eventual comercialização, usabilidade, e facilidade de fabricação, com o objetivo de acelerar a viabilidade da fusão como fonte de energia. Sua experiência como engenheira mecânica na General Atomics durante a produção e teste de ímãs LTS para a instalação internacional de fusão ITER na França deu sua perspectiva sobre tecnologias de detecção e a transição crítica do projeto para a produção.

"Passar da fabricação para o design me ajudou a pensar se o que estamos fazendo é uma implementação prática, "explica Salazar. Além disso, sua experiência com monitoramento de tensão, a abordagem tradicional de detecção de têmpera para cabos supercondutores, levou-a a pensar que uma abordagem diferente era necessária. "Durante o teste de falha dos ímãs ITER, observamos ruptura elétrica do isolamento ocorrendo nos fios de derivação de tensão. Porque agora considero qualquer coisa que quebra o isolamento de alta tensão um grande ponto de risco, minha perspectiva sobre um sistema de detecção de têmpera era, o que fazemos para minimizar esses riscos, e como podemos torná-lo o mais robusto possível? "

Uma alternativa promissora foi a medição de temperatura usando fibras ópticas inscritas com micro-padrões conhecidos como grades de Bragg (FBGs). Quando a luz de banda larga é direcionada a um FBG, a maior parte da luz passa, mas um comprimento de onda (determinado pelo espaçamento, ou ponto final, do padrão da grade) é refletido. O comprimento de onda refletido varia ligeiramente com a temperatura e tensão, assim, a colocação de uma série de grades com diferentes períodos ao longo da fibra permite o monitoramento independente da temperatura de cada local.

Embora os FBGs tenham sido utilizados em muitos setores diferentes para medição de deformação e temperatura, incluindo cabos supercondutores muito menores, eles não foram usados ​​em cabos maiores com altas densidades de corrente como VIPER. "Queríamos fazer um bom trabalho de outras pessoas e testá-lo em nosso projeto de cabo, "diz Salazar. O cabo VIPER foi bem adaptado para esta abordagem, ela observa, por causa de sua estrutura estável, que é projetado para suportar a intensa eletricidade, mecânico, e tensões eletromagnéticas do ambiente de um ímã de fusão.

Uma nova extensão em FBGs

Uma nova opção foi fornecida pela equipe RRI na forma de grades de Bragg de fibra ultralonga (ULFBGs) - uma série de FBGs de 9 milímetros com espaçamento de 1 mm. Estes essencialmente se comportam como um longo FBG quase contínuo, mas com a vantagem de que o comprimento combinado da grade pode ter metros em vez de milímetros. Enquanto os FBGs convencionais podem monitorar as mudanças de temperatura em pontos localizados, ULFBGs podem monitorar mudanças de temperatura que ocorrem simultaneamente ao longo de todo o seu comprimento, permitindo que eles forneçam detecção muito rápida de variação de temperatura, independentemente da localização da fonte de calor.

Embora isso signifique que a localização precisa dos pontos quentes está obscurecida, funciona muito bem em sistemas onde a identificação precoce de um problema é de extrema importância, como em um dispositivo de fusão operacional. E uma combinação de ULFBGs e FBGs pode fornecer resolução espacial e temporal.

Uma oportunidade para verificação prática veio por meio de uma equipe do CERN trabalhando com FBGs padrão em ímãs de acelerador nas instalações do CERN em Genebra, Suíça. "Eles pensaram na tecnologia FBG, incluindo o conceito ULFBG, funcionaria bem com esse tipo de cabo e queria dar uma olhada nele, e embarcou no projeto, "diz Salazar.

Em 2019, ela e seus colegas viajaram para as instalações da SULTAN em Villigen, Suíça, um centro líder para avaliação de cabos supercondutores operado pelo Swiss Plasma Center (SPC), que é afiliado à Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, para avaliar amostras de cabo VIPER com fibras ópticas definidas em ranhuras em suas capas de cobre externas. Seu desempenho foi comparado a tomadas de tensão tradicionais e sensores de temperatura de resistência.

Detecção rápida em condições realistas

Os pesquisadores foram capazes de detectar com rapidez e confiabilidade pequenas perturbações de temperatura em condições operacionais realistas, com as fibras pegando crescimento de têmpera em estágio inicial antes da fuga térmica de forma mais eficaz do que as derivações de tensão. Quando comparado ao ambiente eletromagnético desafiador visto em um dispositivo de fusão, a relação sinal-ruído das fibras era várias vezes melhor; além do que, além do mais, sua sensibilidade aumentou conforme as regiões de têmpera se expandiram, e os tempos de resposta das fibras podem ser ajustados. Isso permitiu que detectassem eventos de extinção dezenas de segundos mais rápido do que as tomadas de tensão, especialmente durante quenches de propagação lenta - uma característica única do HTS que é excepcionalmente difícil para as tomadas de tensão detectarem no ambiente tokamak, e que podem levar a danos localizados.

" As tecnologias de fibra óptica para detecção de têmpera de imãs HTS ou como um método de verificação dupla com tensão mostram uma grande promessa, "diz o artigo do grupo, que também cita a capacidade de fabricação e risco tecnológico mínimo da abordagem.