新型光纤温度传感方法使核聚变发电厂持续运行

光纤在线编辑部  2021-05-12 14:06:25  文章来源:原文转载  

导读: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进了一步。他们提出了一种有前途的新方法,可以快速检测高温超导(HTS)中的破坏性异常——淬火。

5/12/2021,光纤在线讯,Erica Salazar和她的团队在进行工作时专注于最终的商业化、可用性和易制造性,并着重于于推进核聚变作为新能源的可行性。

麻省理工的Erica Salazar指出,更快地探测热漂移可以防止托卡马克核聚变装置中使用的高温超导(HTS)磁铁发生破坏性淬火事件。 
核聚变作为一种安全、无碳、始终在线的能源,近年来,人们对其的追求愈演愈烈。许多组织都在为技术演示和电厂设计制定各种方案。新一代超导磁体是许多此类计划的关键推动力,这使得对传感器、控件和其他基础设施的需求日益增长,这些传感器、控件和设施使超导磁铁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Erica Salazar领导的一个协作小组最近在这一领域迈进了一步。他们提出了一种有前途的新方法,可以快速检测高温超导(HTS)中的破坏性异常——淬火。Salazar与MIT等离子体科学与核聚变中心(PSFC)的NSE助理教授Zach Hartwig,联邦核聚变系统(CFS)的Michael Segal,以及瑞士欧洲核子研究中心(CERN)和新西兰维多利亚州罗宾逊研究所(RRI)的成员合作,取得了这一成果,这些成果发表在Superconductor Science and Technology杂志上。


(图片由研究人员提供)
图源链接:https://news.mit.edu/2021/new-fiber-optic-temperature-sensing-approach-keep-fusion-power-plants-running-0204

 01  光纤传感Focus

当一部分磁体线圈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。这会导致流过线圈并在磁体中存储能量的大量电流迅速转化为热能,并可能对线圈造成严重的内部损坏。

虽然淬火对于所有使用超导磁体的系统都是一个问题,但Salazar的团队致力于防止在基于磁约束聚变设备的发电厂中发生淬火现象。这类核聚变设备被称为托卡马克,将在极高的温度下维持等离子体,类似于恒星的核心,在该处可以发生核聚变并产生净能量输出。没有物理材料可以承受这种温度,因此需要使用磁场来限制、控制和隔离等离子体。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,但是由淬火引起的磁场中断会终止聚变过程,因此,提高传感器性能和控制能力显得至关重要。

鉴于此,Salazar的小组寻求了一种快速检测超导体中温度变化的方法,该温度变化可以表征初期的淬火事件。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。该电缆集成了涂有HTS材料的薄钢带组件,以及用于低温冷却的中央通道。VIPER的线圈可以产生比以往的低温超导(LTS)电缆强2至3倍的磁场,这不仅可以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,这将更加利于淬火检测,从而保护电缆线圈。

 02  关注核聚变的可行性

与SPARC的整个研发团队一样,Salazar的团队着重于最终的商业化、可用性和易制造性,并着重于加快核聚变作为新能源的可行性。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公司的机械工程师,这使她对传感技术以及从设计到生产的关键过渡充满了洞察力。
 
Salazar解释道:“从制造转向设计,帮助我们思考我们做的是否是切实可行的。”此外,她在电压监测方面的经验(传统的超导电缆淬火检测方法)使她认为需要另一种方法。“在对ITER磁铁进行故障测试期间,我们观察到电压探头导线上发生绝缘层的电气故障。因为我现在认为破坏高压绝缘层的任何事情都是主要的风险点,所以我对淬火检测系统的看法是,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光纤布拉格光栅(FBG)的光纤进行温度测量。当宽带光通过FBG时,大多数光会通过,但是会反射某一波长的光(由光栅的周期决定)。反射光的波长随温度和应变的变化而变化,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,但并没有用于像VIPER这样具有高电流密度的大型电缆。Salazar说:“我们希望把其他人的优良产品用来测试我们的电缆设计。”她指出,VIPER电缆非常适合这种方法,因为它的结构稳定,能够承受核聚变磁体环境的强烈电力、机械和电磁应力。

 03  关于FBG的新扩展

RRI团队以超长光纤布拉格光栅(ULFBG)——一系列长度为9mm的光栅,间隔1mm,的形式提供了一种新颖的选择。它们本质上就像一个长的准连续FBG,但具有长达米量级的优点。传统的FBG可以监视局部温度变化,而ULFBG可以同时监测沿整个光纤的温度变化,使得无论热源在何位置它们都可以非常快速地检测温度变化。

尽管这意味着热源的位置是模糊的,但它在那些对故障初期识别有重要需求的系统中非常有效,如在运行中的核聚变设备中。ULFBG和FBG的结合可以同时提供空间和时间分辨率。

一个来自CERN的团队将标准FBG应用到了CERN的加速器磁铁中。Salazar说:“他们认为包括ULFBG在内的FBG技术在这类的电缆上表现良好,希望对其进行研究,并参与该项目”。

2019年,她和同事们前往位于瑞士维利根的SULTAN工厂,这是瑞士等离子体中心(SPC)运营的超导电缆评估中心。该中心隶属于洛桑国际技术学院,负责评估VIPER电缆的样品,通过嵌入到铜护套中的光纤测试电缆性能。他们也对比了光纤测试性能与传统的电阻温度传感器性能。

 04  现实条件下的快速检测

研究人员能够在现实的工作条件下快速可靠地检测出较小的温度扰动,与电学传感器相比,光纤能够更有效地捕捉热失控前的早期淬火。与在核聚变设备中看到的具有挑战性的电磁环境相比,光纤的信噪比要高好几倍。此外,它们的灵敏度随着淬火区域的扩大而增加,并且可以调整光纤的响应时间。这使他们能够比电学传感器更快几十秒地检测出淬火事件,尤其是在缓慢传播的淬火过程中——这是HTS的独特性质。在托卡马克环境中,这种缓慢传播的淬火过程很难被电学传感器检测到,这将导致局部损坏。

该组织发文说:“将光纤技术用于高温超导磁体的失超检测或者与电压检测一起作为双重验证方法,有着巨大的前景。”此外,他们还列举了该方法的可行性和低技术风险。

布鲁克海文国家实验室磁体部主任凯瑟琳·阿姆(Kathleen Amm)表示:“利用FBG进行温度测量,对于保护HTS线圈免受淬火期间的损伤这一具有挑战性的问题,是一种非常有希望的方法。这对紧凑型核聚变等突破性技术的发展至关重要,其中实用、高场强、高温的超导磁铁是关键技术。它还有可能解决许多工业HTS应用的淬火保护问题。”

Salazar表示,目前正在改进光纤的位置和安装,包括使用的胶粘剂类型,并研究如何在其他电缆和不同平台上安装光纤。
“我们与CFS进行了大量对话,并继续与RRI团队的ULFBG技术进行协调,并且我目前正在创建淬火动力学的3D模型,因此我们可以更好地了解和预测不同条件下的淬火情况”,Salazar说,“然后,我们可以为检测系统制定设计方案,例如光栅的类型和间距,以便它可以在所需的时间以及长度内进行检测。这将使控制工程师和研究淬火检测算法的工程师能够编写和优化代码。”

Salazar赞扬了实验团队出色的协作能力,并表示:“与RRI和CERN的合作非常特别。我们所有人都聚集在瑞士,共同努力,并取得了丰硕的成果。”

本研究由CFS提供基金支持。
原文链接:
https://news.mit.edu/2021/new-fiber-optic-temperature-sensing-approach-keep-fusion-power-plants-running-0204
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/abdba8
来源:光纤传感Focus
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