作者彼得·邓恩，麻省理工学院 艾丽卡·萨拉扎和她的团队，就像整个SPARC的研发工作一样，致力于最终的商业化、可用性和易于制造，着眼于加速核聚变作为能源的可行性
学分:麻省理工学院 近年来，人们越来越多地将核聚变作为一种安全、无碳、永远在线的能源来追求，许多组织都在积极寻求技术演示和电厂设计的时间表
新一代超导磁体是许多此类项目的关键推动者，这使得对传感器、控制和其他基础设施的需求不断增长，从而使磁体能够在商业聚变发电厂的恶劣条件下可靠运行
由核科学与工程系(NSE)博士生埃丽卡·萨拉扎(Erica Salazar)领导的一个合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，可以快速检测强高温超导磁体中的破坏性异常——失超
萨拉扎与麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)的神经元特异性烯醇化酶助理教授扎克·哈特韦格和联邦聚变系统(CFS)的迈克尔·西格尔，以及瑞士欧洲粒子物理研究所(CERN)研究中心和新西兰维多利亚大学罗宾逊研究所(RRI)的成员合作，取得了这些发表在《超导体科学与技术》杂志上的结果
止血淬火 当磁体线圈的一部分从没有电阻的超导状态转移到正常电阻状态时，就会发生失超
这导致大量电流流过线圈，并将能量储存在磁体中，快速转化为热量，并可能对线圈造成严重的内部损坏
虽然失超对所有使用超导磁体的系统都是一个问题，但萨拉扎的团队致力于在基于磁约束聚变装置的发电厂中防止失超
这些被称为托卡马克的聚变装置将维持极高温度的等离子体，类似于恒星的核心，在那里可以发生聚变并产生净正能量输出
没有任何物理材料能够承受这些温度，所以磁场被用来限制、控制和隔离等离子体
新的高温超导磁体使托卡马克的环形(甜甜圈形)磁性外壳更强、更紧凑，但失超磁场的中断将停止聚变过程——因此提高传感器和控制能力非常重要
考虑到这一点，萨拉扎的团队寻求一种快速发现超导体温度变化的方法，这种变化可以指示新生的失超事件
他们的测试平台是一种新型超导电缆，在SPARC计划中被称为“蝰蛇”(VIPER)，它包括涂有高温超导材料的薄钢带组件，由铜成型器稳定，用铜和不锈钢包裹，带有用于低温冷却的中央通道
VIPER的线圈可以产生比老一代低温超导(LTS)电缆强两到三倍的磁场；这转化为高得多的聚变输出功率，但也使得磁场的能量密度更高，这使得失超检测承担了更多保护线圈的责任
对核聚变可行性的关注 萨拉扎的团队，像整个SPARC的研究和开发工作一样，致力于最终的商业化、可用性和易于制造，着眼于加速核聚变作为能源的可行性
她作为通用原子公司的机械工程师，在为法国ITER国际聚变设施生产和测试LTS磁体的过程中积累了丰富的经验，这让她对传感技术和关键的设计到生产的转变有了深入的了解
萨拉扎解释说:“从制造转向设计帮助我思考我们正在做的事情是否是一个实际的实施。”
此外，她在电压监测方面的经验，超导电缆的传统失超检测方法，使她认为需要一种不同的方法
“在对ITER磁铁进行故障测试期间，我们观察到电压抽头线上出现绝缘击穿
因为我现在认为任何破坏高压绝缘的事情都是一个主要的风险点，所以我对失超检测系统的看法是，我们如何将这些风险降至最低，以及如何使其尽可能鲁棒？" 一个有希望的替代方法是使用刻有微图案的光纤进行温度测量，这种微图案被称为光纤布拉格光栅
当宽带光指向FBG时，大部分光通过，但是一个波长(由光栅图案的间隔或周期决定)被反射
反射波长随温度和应变略有变化，因此沿光纤放置一系列不同周期的光栅可以对每个位置进行独立的温度监测
虽然光纤光栅已经在许多不同的行业中用于测量应变和温度，包括在小得多的超导电缆上，但它们还没有被用于像VIPER这样具有高电流密度的大电缆上
萨拉扎说:“我们想让别人做好工作，并在我们的电缆设计上进行测试。”
她指出，蝰蛇电缆非常适合这种方法，因为它的结构稳定，能够承受聚变磁体环境中强烈的电、机械和电磁应力
光纤光栅的新扩展 RRI团队以超长光纤布拉格光栅的形式提供了一种新的选择——一系列间隔1毫米的9毫米光纤布拉格光栅
这些基本上表现为一个长的准连续FBG，但是具有组合光栅长度可以是米而不是毫米的优点
虽然传统的光纤光栅可以监测局部点的温度变化，但超低频光纤光栅可以监测沿其整个长度同时发生的温度变化，使其能够非常快速地检测温度变化，而与热源的位置无关
虽然这意味着热点的精确位置模糊不清，但它在早期识别问题至关重要的系统中非常有效，例如在运行中的聚变装置中
超低频光栅和光纤光栅的组合可以提供空间和时间分辨率
在瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所设施中，欧洲粒子物理研究所的一个团队与加速器磁铁上的标准光纤光栅一起工作，从而获得了一个动手验证的机会
萨拉扎说:“他们认为FBG的技术，包括超大规模集成电路的概念，在这种类型的电缆上可以很好地工作，并希望研究它，并参与了这个项目。”
2019年，她和同事前往位于瑞士维利根的SULTAN工厂，该工厂是由瑞士等离子体中心(SPC)运营的超导电缆评估的领先中心，隶属于洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnicique fédérale de Lausanne)，对光纤嵌入其外部铜套凹槽的VIPER电缆样品进行评估
将它们的性能与传统的电压抽头和电阻温度传感器进行了比较
现实条件下的快速检测 研究人员能够在实际操作条件下快速可靠地检测到微小的温度扰动，与电压抽头相比，光纤在热失控之前更有效地获得早期失超生长
与融合设备中的挑战性电磁环境相比，光纤的信噪比要高几倍；此外，它们的灵敏度随着失超区域的扩大而增加，光纤的响应时间可以调整
这使他们能够比电压抽头快几十秒检测到猝灭事件，特别是在慢传播猝灭过程中——这是高温超导独有的特性，在托卡马克环境中电压抽头极难检测到，并可能导致局部损坏
“将光纤技术用于高温超导磁体失超检测或作为电压双重验证方法显示出巨大的前景，”该组织的报告称，报告还提到了这种方法的可制造性和最小的技术风险
布鲁克海文国家实验室磁体部主任凯瑟琳·安姆(Kathleen Amm)观察到，“用光纤光栅进行灵敏的温度测量是一种非常有前途的方法，可以解决在淬火过程中保护高温超导线圈免受损坏的挑战性问题。”她没有参与这项研究
“这对于开发改变游戏规则的技术至关重要，例如紧凑型核聚变，其中实用的高磁场高温超导磁体是一项关键技术
它也有可能解决许多工业高温超导应用的失超保护问题
" 萨拉扎说，目前正在研究光纤的位置和安装，包括所用粘合剂的类型，以及如何将光纤安装在其他电缆和不同平台上
萨拉扎说:“我们与粮安委进行了大量的对话，并继续与RRI团队的超大规模集成电路技术进行协调，我目前正在创建一个失超动力学的三维模型，这样我们就可以更好地理解和预测不同条件下失超的情况。”
“然后我们可以为检测系统提出设计建议，比如光栅的类型和间距，这样它就可以在期望的时间长度内进行检测
这将允许控制工程师和研究失超检测算法的工程师编写和优化他们的代码
" 萨拉扎赞扬了实验团队的杰出合作精神，指出“与RRI和欧洲核子研究中心的合作是特殊的
我们都聚集在瑞士，一起努力工作，并且乐此不疲地付出努力并取得了巨大的成果
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
