新しい光ファイバー温度検知アプローチは、核融合発電所の稼働を維持する可能性があります

安全で、炭素を含まない、常時稼働のエネルギー源としての核融合の追求は、近年、技術のデモンストレーションと発電所の設計のために積極的なタイムラインを追求する多くの組織で強化されています。新世代の超電導磁石は、これらのプログラムの多くを実現する重要な要素であり、商業用核融合発電所の過酷な条件で磁石を確実に動作させるためのセンサー、制御、その他のインフラストラクチャに対するニーズが高まっています。

原子力科学工学部（NSE）の博士課程の学生であるErica Salazarが率いる共同グループは、最近、強力な高温超伝導（HTS）における破壊的な異常、クエンチを迅速に検出するための有望な新しい方法で、この分野で一歩前進しました。磁石。クエンチは、磁石のコイルの一部が、電気抵抗のない超伝導状態から通常の抵抗状態に移行したときに発生します。これにより、コイルに大電流が流れ、磁石に蓄積されたエネルギーがすぐに熱に変換され、コイルに深刻な内部損傷を引き起こす可能性があります。

超電導磁石を使用するすべてのシステムでクエンチが問題になりますが、サラザールのチームは、磁場閉じ込め核融合装置に基づく発電所でのクエンチの防止に重点を置いています。トカマクとして知られるこれらのタイプの核融合装置は、核融合が起こり、正味の正のエネルギー出力を生成する可能性がある星の核と同様に、プラズマを非常に高温に維持します。物理的な材料はこれらの温度を処理できないため、プラズマを閉じ込め、制御し、絶縁するために磁場が使用されます。新しいHTS磁石により、トカマクのトロイダル（ドーナツ型）磁気エンクロージャーはより強力でコンパクトになりますが、クエンチによる磁場の遮断により核融合プロセスが停止するため、センサーと制御機能を改善することが重要です。

これを念頭に置いて、サラザールのグループは、超伝導体の温度変化をすばやく発見する方法を模索しました。これは、初期のクエンチ事件を示している可能性があります。彼らのテストベッドは、VIPERとして知られるSPARCプログラムで開発された新しい超電導ケーブルで、HTS材料でコーティングされ、銅フォーマーで安定化され、銅とステンレス鋼でジャケットされた薄いスチールテープのアセンブリが組み込まれ、極低温冷却用の中央チャネルがあります。 VIPERのコイルは、旧世代の低温超電導（LTS）ケーブルよりも2〜3倍強い磁場を生成できます。これは、非常に高い融合出力電力に変換されますが、フィールドのエネルギー密度も高くなり、コイルを保護するためのクエンチ検出により多くの負担がかかります。

Salazarのチームは、SPARCの研究開発全体と同様に、エネルギー源としてのFusionの実行可能性を加速することを目的として、最終的な商品化、使いやすさ、製造の容易さに焦点を当てて作業に取り組みました。フランスの国際ITER核融合施設向けのLTS磁石の製造およびテスト中のゼネラルアトミックの機械エンジニアとしての彼女の経歴は、センシング技術と重要な設計から製造への移行についての彼女の見解を示しました。

有望な代替案は、ファイバーブラッググレーティング（FBG）として知られるマイクロパターンが刻まれた光ファイバーを使用した温度測定でした。広帯域光がFBGに向けられると、ほとんどの光は通過しますが、1つの波長（グレーティングのパターンの間隔または周期によって決定されます）が反射されます。反射波長は温度とひずみの両方によってわずかに変化するため、ファイバに沿って異なる周期の一連のグレーティングを配置すると、各場所の独立した温度監視が可能になります。

FBGは、はるかに小さい超電導ケーブルを含め、ひずみと温度の測定にさまざまな業界で活用されてきましたが、VIPERのような高電流密度の大きなケーブルには使用されていませんでした。 「VIPERケーブルは、核融合磁石の環境の強い電気的、機械的、および電磁的ストレスに耐えるように設計された安定した構造のため、このアプローチにうまく適合しました。

RRIチームは、1 mm間隔の一連の9ミリメートルFBGである超長ファイバブラッググレーティング（ULFBG）の形で新しいオプションを提供しました。これらは基本的に1つの長い準連続FBGとして動作しますが、結合されたグレーティングの長さがミリメートルではなくメートルになるという利点があります。従来のFBGは局所的なポイントで温度変化を監視できますが、ULFBGは全長に沿って同時に発生する温度変化を監視できるため、熱源の場所に関係なく、温度変化を非常に迅速に検出できます。

これは、ホットスポットの正確な位置が不明瞭であることを意味しますが、動作中の融合デバイスのように、問題の早期特定が最も重要なシステムでは非常にうまく機能します。また、ULFBGとFBGの組み合わせにより、空間分解能と時間分解能の両方を提供できます。スイスのジュネーブにあるCERN施設で、加速器磁石の標準FBGを使用するCERNチームを通じて、実践的な検証の機会がもたらされました。 「彼らは、ULFBGコンセプトを含むFBGテクノロジーがこのタイプのケーブルでうまく機能すると考え、それを調査したいと考え、プロジェクトに参加しました」とSalazar氏は言います。

2019年、彼女と同僚は、スイス連邦工科大学ローザンヌ校と提携しているスイスプラズマセンター（SPC）が運営する超電導電力ケーブル評価の主要センターであるスイスのフィリゲンにあるSULTAN施設を訪れ、VIPERケーブルのサンプルを評価しました。光ファイバは、外側の銅ジャケットの溝にセットされています。それらの性能は、従来の電圧タップおよび抵抗温度センサーと比較されました。

研究者は、現実的な動作条件下で小さな温度の乱れを迅速かつ確実に検出することができ、ファイバーは、電圧タップよりも効果的に熱暴走の前に初期段階のクエンチ成長を拾い上げました。核融合装置に見られる困難な電磁環境と比較すると、ファイバーの信号対雑音比は数倍優れていました。さらに、クエンチ領域が拡大するにつれて感度が向上し、ファイバーの応答時間を調整できます。これにより、特にゆっくりと伝播するクエンチ中に、電圧タップよりも数十秒速くクエンチイベントを検出できるようになりました。これは、トカマク環境で電圧タップを検出するのが非常に困難で、局所的な損傷につながる可能性があるHTSに固有の特性です。

使用する接着剤の種類を含め、ファイバーの位置と取り付けを改善し、ファイバーを他のケーブルやさまざまなプラットフォームに取り付ける方法を調査する作業が進行中です、とSalazar氏は言います。