近年來，核聚變作為一種安全、無碳、永不間斷的能源，越來越受到人們的追捧，許多組織都在積極尋求技術演示和發電廠設計的時間表。新一代超導磁體是許多此類專案的關鍵推動因素，這導致對感測器、控制和其他基礎設施的需求日益增長，這些基礎設施將使磁體能夠在商業核聚變電廠的惡劣條件下可靠地執行。

由核科學與工程系(NSE)博士生埃裡卡·薩拉查領導的一個合作小組最近在這一領域邁出了一步，用一種很有前途的新方法快速檢測破壞性異常，即強高溫超導(HTS)磁體的猝滅。薩拉查與分析了無麻省理工學院的助理教授扎克Hartwig等離子體科學與融合中心(PSFC)和邁克爾·西格爾的剝離英聯邦融合系統(CFS),以及瑞士歐洲核子研究中心研究中心成員和羅賓遜研究所(RRI)紐西蘭維多利亞大學實現的結果,是發表在《科技超導體。

止血淬火

當磁鐵線圈的一部分脫離超導狀態(即沒有電阻)而進入正常電阻狀態時，就會發生失超。這導致大量的電流流過線圈，並儲存在磁鐵的能量，迅速轉換成熱量，並可能對線圈造成嚴重的內部損害。

當所有使用超導磁體的系統都存在猝滅問題時，薩拉查的團隊正致力於防止基於磁約束聚變裝置的發電廠發生猝滅。這些型別的聚變裝置，被稱為託卡馬克(tokamak)，將使等離子體保持在極高的溫度，類似於恆星的核心，在那裡可以發生聚變併產生淨正能量輸出。沒有任何物理材料能夠承受這樣的溫度，所以磁場被用來限制、控制和隔離等離子體。新的高溫超導磁體使託卡馬克的環形(甜甜圈形)磁外殼更加堅固和緊湊，但由於失超而造成的磁場中斷會使聚變過程停止——因此改進感測器和控制能力的重要性。

考慮到這一點，薩拉查的研究小組尋找了一種快速檢測超導體溫度變化的方法，這種變化可以指示出新生的淬火事件。他們的測試平臺是SPARC專案開發的一種新型超導電纜，名為“蝰蛇”(VIPER)。該電纜由塗有高溫超導材料的薄鋼帶組裝而成，用銅片固定，外包銅和不鏽鋼，還有一個用於低溫冷卻的中央通道。VIPER線圈產生的磁場比老一代低溫超導(LTS)電纜強兩到三倍;這轉化為更高的聚變輸出功率，但也使磁場的能量密度更高，這就需要更多的責任來保護線圈的失超檢測。

對核聚變可行性的關注

薩拉查的團隊，就像整個SPARC的研發團隊一樣，把工作的重點放在最終的商業化、可用性和易於製造上，著眼於加速核聚變作為一種能源的生存能力。她曾在通用原子公司(General Atomics)為法國國際ITER核聚變設施生產和測試LTS磁體時擔任機械工程師，這一背景使她對感測技術和關鍵的設計-生產過渡有了看法。

薩拉查解釋說:“從製造轉向設計幫助我思考我們正在做的是否是一種實際的實施。”此外，她在電壓監測(超導電纜的傳統失超檢測方法)方面的經驗，讓她認為需要一種不同的方法。“在對ITER磁體進行故障測試時，我們觀察到電壓抽頭線絕緣發生電擊穿。因為我現在認為任何破壞高壓絕緣的東西都是一個主要的風險點，我對失超檢測系統的看法是，我們如何做才能將這些風險降到最低，以及我們如何使它儘可能的堅固?”

一種很有前途的替代方法是使用嵌入微圖案的光纖(稱為光纖布拉格光柵)來測量溫度。當寬頻光被定向到FBG上時，大部分的光都會透過，但只有一個波長(由光柵圖案的間距或週期決定)會被反射。反射波長會隨溫度和應變而略有變化，因此在光纖上放置一系列週期不同的光柵可以對每個位置進行獨立的溫度監測。

儘管fbg已經被用於許多不同行業的應變和溫度測量，包括在小得多的超導電纜上，但它們還沒有被用於像VIPER這樣電流密度高的大型電纜上。薩拉查說:“我們想拿別人的好作品來測試我們的電纜設計。”她指出，蝰蛇電纜很適合這種方法，因為它的結構穩定，能夠承受聚變磁鐵環境中的強烈的電氣、機械和電磁應力。

fbg的新擴充套件

RRI團隊提供了一種新的選擇——超長光纖布拉格光柵(ulfbg)——一系列間隔為1毫米的9毫米光纖光柵。這些光柵本質上表現為一個長準連續光纖光柵，但其優點是組合光柵的長度可以是米而不是毫米。傳統的fbg可以監測區域性點的溫度變化，而ulfbg可以同時監測沿其整個長度發生的溫度變化，使其能夠提供非常快速的溫度變化檢測，而不考慮熱源的位置。

雖然這意味著熱點的精確位置被模糊了，但它在早期識別問題是至關重要的系統中非常有效，比如在一個正在執行的聚變裝置中。結合ulfbg和fbg可以提供空間和時間解析度。

在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)，一個與標準fbg在加速器磁體上合作的歐洲核子研究中心(CERN)團隊提供了一個親身驗證的機會。薩拉查說:“他們認為FBG技術，包括ULFBG概念，在這種型別的電纜上可以很好地工作，想要研究它，並參與了這個專案。”

2019年,她和他的同事們在Villigen蘇丹工廠,瑞士,超導電纜評價中心主要由瑞士(SPC)等離子體中心,隸屬於洛桑聯邦理工,評估樣本的毒蛇電纜光纖成槽外銅夾克。將其效能與傳統的電壓分接頭和電阻溫度感測器進行了比較。

在現實條件下的快速檢測

研究人員能夠在現實的操作條件下快速、可靠地檢測到小的溫度擾動，在熱失控前纖維能夠比電壓抽頭更有效地獲得早期驟冷生長。與熔融器件中具有挑戰性的電磁環境相比，光纖的信噪比要好上幾倍;此外，它們的靈敏度隨著猝滅區域的擴大而增加，並且纖維的響應時間可以調整。這使得它們能夠比電壓抽頭更快地檢測到猝滅事件，尤其是在緩慢傳播的猝滅過程中——這是高溫超導特有的特性，在託卡馬克環境下電壓抽頭很難檢測到，而且會導致區域性損壞。

“sing光纖技術用於高溫超導磁體失磁檢測，或者作為一種雙重驗證的電壓方法，顯示出巨大的前景，”該小組的報告中提到，同時也提到了該方法的可製造性和最小的技術風險。

布魯克海文國家實驗室磁體部主任Kathleen Amm說:“對於保護高溫超導線圈在淬火過程中不受損壞這一具有挑戰性的問題，利用fbg進行敏感溫度測量是一種非常有前途的方法。”Kathleen Amm並沒有參與這項研究工作。“這對緊湊型核聚變等改變遊戲規則的技術的發展至關重要，實用性強、高溫超導磁體是其中的一項關鍵技術。它也有潛力解決許多工業高溫超導應用中的失超保護問題。”

Salazar表示，目前正在研究如何最佳化光纖的位置和安裝方式，包括使用的粘合劑型別，以及如何將光纖安裝在其他電纜和不同平臺上。

薩拉查說:“我們正在與CFS進行大量對話，並繼續與RRI團隊的ULFBG技術進行協調，目前我正在建立一個猝滅動力學的3d模型，因此我們可以更好地理解和預測不同條件下猝滅的樣子。”“然後我們可以為探測系統開發設計建議，比如光柵的型別和間距，這樣它就可以在預期的時間長度內進行探測。這將允許控制工程師和致力於淬火檢測演算法的工程師編寫和最佳化他們的程式碼。”

薩拉查讚揚了這個實驗團隊出色的合作能力，並指出:“與RRI和歐洲核子研究中心的合作很特別。我們都聚集在瑞士，一起努力工作，並且很開心地付出了我們的努力並取得了很好的結果。”