革命性光纤温度传感器可确保聚变电厂可靠运行

追求聚变作为安全、无碳、全天候能源近年来加速，多组织推进技术演示和电厂设计激进时间表。新一代超导磁体是许多计划关键推动者，这创造对传感器、控制和其他基础设施日益增长需求，允许磁体在商业聚变电厂恶劣条件下可靠运行。

核科学工程系（NSE）博士生Erica Salazar领导协作组近期在快速检测强大高温超导（HTS）磁体破坏性异常淬火方面迈进一步，有新方法。淬火发生时磁体线圈部分从无电阻超导态转变正常电阻态。这导致流经线圈巨大电流和磁体储存能量快速转化为热，潜在导致线圈严重内部损伤。

淬火是所有用超导磁体系统问题，但Salazar团队聚焦防止基于磁约束聚变装置电厂淬火。此类聚变装置称托卡马克，将维持等离子体极高温度，类似恒星核心，聚变发生产生净正能量输出。无物理材料能承受那些温度，故用磁场约束、控制、绝缘等离子体。新HTS磁体允许托卡马克环形磁围栏更强更紧凑，但淬火导致磁场中断将停止聚变过程——因此改进传感器控制能力至关重要。

鉴于此，Salazar团队寻求快速发现超导体温度变化方法，可指示萌芽淬火事件。测试床是SPARC计划开发新型超导电缆VIPER，包含涂HTS材料薄钢带组件，铜前身稳定、铜不锈钢护套，中央通道低温冷却。VIPER线圈产生磁场比老代低温超导（LTS）电缆强2-3倍；这转化为巨大聚变输出功率，但也使场能量密度更高，给淬火检测保护线圈更大压力。

Salazar团队像整个SPARC研发工作，以最终商业化、可用性、易制造为焦点，着眼加速聚变作为能源可行性。她在通用原子公司做机械工程师期间生产测试国际ITER聚变装置LTS磁体（法国）经验给她传感技术和关键设计生产转型视角。

有前景替代方案是用刻蚀微图案称光纤布拉格光栅（FBG）光纤测温。宽带光导向FBG时，大部分光通过，但一波长（由光栅图案间距即周期决定）反射。反射波长随温度和应变轻微变化，故沿光纤放置不同周期系列光栅允许独立监测各位置温度。

FBG虽跨多行业用于应变温度测量，包括小得多超导电缆，但未用于大电流密度大电缆如VIPER。“VIPER电缆很好适配此法，”Salazar注，因稳定结构设计承受聚变磁体环境强烈电气、机械、电磁应力。

RRI团队提供新选择：超长光纤布拉格光栅（ULFBG）——系列9毫米FBG间距1毫米。本质表现为单长准连续FBG，但优势是组合光栅长度可达米级而非毫米。常规FBG监测局部点温度变化，ULFBG可同时监测全长温度变化，允许极快检测温度变化，不论热源位置。

虽意味热点精确位置模糊，但在早期识别问题至关重要系统如运行聚变装置中效果极好。ULFBG和FBG组合可提供空间和时间分辨率。通过CERN团队在日内瓦CERN设施加速器磁体标准FBG获得亲手验证机会。“他们认为FBG技术含ULFBG概念对此类电缆效果好想研究，加入项目，”Salazar说。

2019年，她同事赴瑞士Villigen SULTAN设施，由瑞士等离子体中心（SPC）运营、隶属洛桑联邦理工学院的超导电缆评估领先中心，评估外铜护套槽嵌光纤VIPER电缆样品。性能对比传统电压分流和电阻温度传感器。

研究人员能在现实运行条件下快速可靠检测微小温度扰动，光纤在热失控前比电压分流更有效捕捉早期淬火增长。对比聚变装置挑战性电磁环境，光纤信噪比高数倍；此外灵敏度随淬火区域扩大增加，光纤响应时间可调。这使它们能比电压分流早几十秒检测淬火事件，特别是缓慢传播淬火——HTS独特特性在托卡马克环境极难被电压分流检测，可导致局部损伤。

工作进行中优化光纤位置安装，包括胶水类型，也调查光纤如何安装其他电缆不同平台，Salazar说。