新的光纤温度传感方法可以让聚变发电厂保持运行

近年来，人们对聚变作为一种安全、无碳、永远在线的能源的追求得到了加强，许多组织都在为技术演示和发电厂设计制定积极的时间表。新一代超导磁体是其中许多项目的关键推动力，这导致对传感器、控制装置和其他基础设施的需求不断增长，这些基础设施将使磁体能够在商业核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 领导的一个合作小组最近在该领域向前迈出了一步，采用了一种很有前途的新方法，可以快速检测强大的高温超导 (HTS) 中的破坏性异常，淬火磁铁。当磁铁线圈的一部分从没有电阻的超导状态转变为正常电阻状态时，就会发生失超。这会导致大量电流流过线圈，并储存在磁铁中的能量迅速转化为热量，并可能对线圈造成严重的内部损坏。

虽然失超对于所有使用超导磁体的系统来说都是一个问题，但 Salazar 的团队专注于在基于磁约束聚变装置的发电厂中防止失超。这些类型的聚变装置，称为托卡马克，将保持等离子体处于极高温度，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。没有物理材料可以承受这些温度，因此磁场被用来限制、控制和隔离等离子体。新的 HTS 磁铁使托卡马克的环形（甜甜圈形）磁性外壳更坚固、更紧凑，但因失超而中断磁场会停止聚变过程——因此改进传感器和控制能力非常重要。

考虑到这一点，Salazar 的小组寻求一种快速发现超导体温度变化的方法，这可以表明新生的失超事件。他们的试验台是在 SPARC 计划中开发的一种新型超导电缆，称为 VIPER，它包含涂有 HTS 材料的薄钢带组件，由铜成型器稳定并用铜和不锈钢制成，具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 2 到 3 倍的磁场；这转化为更高的聚变输出功率，但也使场的能量密度更高，这将更多的责任放在失超检测上以保护线圈。

与整个 SPARC 研发工作一样，Salazar 的团队在开展工作时将重点放在最终的商业化、可用性和易于制造上，着眼于加速聚变作为能源的可行性。在为法国国际 ITER 聚变设施生产和测试 LTS 磁体期间，她曾在 General Atomics 担任机械工程师，这让她对传感技术和关键的设计到生产的过渡有了独到的见解。

一种有前途的替代方法是使用刻有称为光纤布拉格光栅 (FBG) 的微图案的光纤进行温度测量。当宽带光射向 FBG 时，大部分光会通过，但会反射一个波长（由光栅图案的间距或周期决定）。反射波长随温度和应变而略有变化，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 FBG 已在许多不同的行业中用于测量应变和温度，包括在更小的超导电缆上，但它们并未用于像 VIPER 这样的具有高电流密度的大型电缆。 “VIPER 电缆非常适合这种方法，Salazar 指出，因为其结构稳定，旨在承受聚变磁体环境的强烈电气、机械和电磁应力。

RRI 团队以超长光纤布拉格光栅 (ULFBG) 的形式提供了一种新颖的选择——一系列间隔 1 毫米的 9 毫米 FBG。这些本质上表现为一个长的准连续 FBG，但具有组合光栅长度可以是米长而不是毫米长的优点。传统 FBG 可以监测局部点的温度变化，而 ULFBG 可以同时监测沿其整个长度发生的温度变化，使其能够非常快速地检测温度变化，而与热源的位置无关。

尽管这意味着热点的精确位置是模糊的，但它在早期识别问题至关重要的系统中运行良好，例如在运行的聚变装置中。 ULFBG 和 FBG 的组合可以提供空间和时间分辨率。一个亲身验证的机会来自一个 CERN 团队，他们在瑞士日内瓦的 CERN 设施中使用标准 FBG 在加速器磁铁上工作。 “他们认为 FBG 技术（包括 ULFBG 概念）可以很好地用于这种类型的电缆，并希望对其进行研究，并参与了该项目，”Salazar 说。

2019 年，她和同事前往位于瑞士维利根的 SULTAN 设施，这是一家领先的超导电缆评估中心，由隶属于洛桑联邦理工学院的瑞士等离子体中心 (SPC) 运营，以评估 VIPER 电缆样品光纤设置在其外部铜护套上的凹槽中。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。

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，在热失控之前，纤维比电压抽头更有效地获得早期淬火生长。与在融合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，并且可以调整纤维的响应时间。这使他们能够比电压抽头快几十秒地检测失超事件，尤其是在缓慢传播的失超期间——这是 HTS 独有的特性，在托卡马克环境中电压抽头很难检测到，并且可能导致局部损坏。

Salazar 说，正在改进光纤的位置和安装，包括使用的粘合剂类型，以及研究如何将光纤安装在其他电缆和不同平台上。