革新的光ファイバー温度センサー、核融合発電所の信頼性運転を保証

安全で炭素フリー、常時稼働のエネルギー源としての核融合追求が近年激化しており、多くの組織が技術実証と発電所設計に向けた積極的なタイムラインを追求しています。新世代の超伝導マグネットはこれらのプログラムの多くにとって重要なイネーブラーであり、商用核融合発電所の過酷な条件下でマグネットを確実に運転できるセンサー、制御、その他のインフラストラクチャへのニーズが高まっています。

核科学工学部（NSE）博士課程のErica Salazar氏が率いる共同グループが、強力な高温超伝導（HTS）マグネットにおける破壊的異常「クエンチ」の迅速検出のための有望な新手法で、この分野で前進を遂げました。クエンチは、マグネットのコイルの一部が超伝導状態（電気抵抗ゼロ）から通常の抵抗状態に移行するときに発生します。これにより、コイルを流れる大電流とマグネットに蓄えられたエネルギーが急速に熱に変換され、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。

クエンチは超伝導マグネットを使用するすべてのシステムの問題ですが、Salazar氏のチームは、磁気閉じ込め核融合デバイスベースの発電所での防止に焦点を当てています。これらのタイプの核融合デバイス（トカマクと呼ばれる）は、恒星の核に似た極めて高温でプラズマを維持し、そこで核融合が発生して正味正のエネルギー出力を生成します。物理的材料ではそれらの温度に耐えられないため、磁場でプラズマを閉じ込め、制御、断熱します。新しいHTSマグネットにより、トカマクのトロイダル（ドーナツ型）磁気囲い込みをより強力かつコンパクトにできますが、クエンチによる磁場の中断は核融合プロセスを停止させる——したがって、センサーと制御能力の改善が重要です。

これを念頭に、Salazar氏のグループは、超伝導体の温度変化を迅速に検知する方法を探りました。これは初期クエンチ事象を示唆します。テストベッドは、SPARCプログラムで開発された新しい超伝導ケーブルVIPERで、薄い鋼テープにHTS材料をコーティングしたアセンブリ、銅フォーマーで安定化、銅とステンレス鋼でジャケット、中央に極低温冷却チャネルを備えています。VIPERコイルは、旧世代の低温超伝導（LTS）ケーブルの2〜3倍強い磁場を生成でき、これは桁違いに高い核融合出力につながりますが、フィールドのエネルギー密度も高くなり、コイル保護のためのクエンチ検出により多くの責任が生じます。

Salazar氏のチームは、SPARC研究開発全体と同様、最終的な商用化、使いやすさ、製造容易性に焦点を当て、核融合のエネルギー源としての実現可能性を加速する視点で取り組みました。フランスの国際ITER核融合施設向けLTSマグネットの製造とテストでGeneral Atomicsの機械エンジニアとしての経験が、センシング技術と重要な設計から生産への移行についての視点を与えました。

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。広帯域光をFBGに照射すると、大部分の光は通過しますが、1つの波長（グレーティングパターンの間隔、つまり周期によって決定）が反射されます。反射波長は温度とひずみの両方でわずかに変化するため、異なる周期を持つ一連のグレーティングをファイバーに沿って配置することで、各位置の独立した温度監視が可能になります。

FBGは多くの産業でひずみと温度測定に活用されてきましたが、VIPERのような大電流密度の大型ケーブルには使用されていませんでした。「VIPERケーブルはこのアプローチに適応しやすい」とSalazar氏は指摘します。融合マグネット環境の強烈な電気的、機械的、電磁的ストレスに耐えるよう設計された安定した構造を持つためです。

RRIチームによって、超長ファイバーブラッググレーティング（ULFBG）という新しい選択肢が提供されました。これは、1mm間隔で配置された9ミリメートルのFBGの系列です。これらは本質的に1つの長い準連続FBGとして振る舞いますが、結合グレーティング長がミリメートルではなくメートル単位で長くできる利点があります。従来のFBGが局所的なポイントでの温度変化を監視できるのに対し、ULFBGはその全長にわたって同時に発生する温度変化を監視でき、熱源の位置に関わらず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になることを意味しますが、問題の早期特定が最重要である運転中の核融合デバイスのようなシステムでは非常に効果的です。ULFBGとFBGの組み合わせで、空間的・時間的分解能の両方を提供できます。CERNのチームがジュネーブのCERN施設で加速器マグネットに標準FBGを用いて作業しており、実地検証の機会が得られました。「彼らはFBG技術、ULFBGコンセプトを含め、このタイプのケーブルでうまく機能すると考え、プロジェクトに参加しました」とSalazar氏は言います。

2019年、彼女と同僚たちはスイスのヴィリゲンにあるSULTAN施設を訪れ、スイスプラズマセンター（SPC）が運営する超伝導ケーブル評価の主要センターで、外側銅ジャケットの溝に光ファイバーをセットしたVIPERケーブルサンプルを評価しました。その性能を従来の電圧タップと抵抗温度センサーと比較しました。

研究者たちは、現実的な運転条件下で小さな温度擾乱を迅速かつ確実に検出でき、ファイバーが熱暴走前の初期クエンチ成長を電圧タップより効果的に捉えました。核融合デバイスで見られる厳しい電磁環境と比較して、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感度が増し、ファイバーの応答時間を調整可能でした。これにより、特にゆっくり伝播するクエンチ（HTS特有の特性で、トカマク環境では電圧タップでの検出が非常に困難、局所的損傷につながる可能性がある）を、電圧タップより数十秒早く検出できました。

ファイバーの位置と設置の改良（使用する接着剤のタイプを含む）、および他のケーブルやプラットフォームへの設置方法の調査が進行中です。