5/12/2021，光纖在線(xiàn)訊，Erica Salazar和她的團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行工作時(shí)專(zhuān)注于最終的商業(yè)化、可用性和易制造性，并著重于于推進(jìn)核聚變作為新能源的可行性。

麻省理工的Erica Salazar指出，更快地探測(cè)熱漂移可以防止托卡馬克核聚變裝置中使用的高溫超導(dǎo)（HTS）磁鐵發(fā)生破壞性淬火事件。 
核聚變作為一種安全、無(wú)碳、始終在線(xiàn)的能源，近年來(lái)，人們對(duì)其的追求愈演愈烈。許多組織都在為技術(shù)演示和電廠(chǎng)設(shè)計(jì)制定各種方案。新一代超導(dǎo)磁體是許多此類(lèi)計(jì)劃的關(guān)鍵推動(dòng)力，這使得對(duì)傳感器、控件和其他基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增長(zhǎng)，這些傳感器、控件和設(shè)施使超導(dǎo)磁鐵能夠在商業(yè)聚變發(fā)電廠(chǎng)的惡劣條件下可靠運(yùn)行。 

由核科學(xué)與工程系（NSE）博士生Erica Salazar領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)協(xié)作小組最近在這一領(lǐng)域邁進(jìn)了一步。他們提出了一種有前途的新方法，可以快速檢測(cè)高溫超導(dǎo)（HTS）中的破壞性異常——淬火。Salazar與MIT等離子體科學(xué)與核聚變中心（PSFC）的NSE助理教授Zach Hartwig，聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)（CFS）的Michael Segal，以及瑞士歐洲核子研究中心（CERN）和新西蘭維多利亞州羅賓遜研究所（RRI）的成員合作，取得了這一成果，這些成果發(fā)表在Superconductor Science and Technology雜志上。


（圖片由研究人員提供）
圖源鏈接：https://news.mit.edu/2021/new-fiber-optic-temperature-sensing-approach-keep-fusion-power-plants-running-0204

 01  光纖傳感Focus

當(dāng)一部分磁體線(xiàn)圈從沒(méi)有電阻的超導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎�常電阻狀態(tài)時(shí)，就會(huì)發(fā)生淬火。這會(huì)導(dǎo)致流過(guò)線(xiàn)圈并在磁體中存儲(chǔ)能量的大量電流迅速轉(zhuǎn)化為熱能，并可能對(duì)線(xiàn)圈造成嚴(yán)重的內(nèi)部損壞。

雖然淬火對(duì)于所有使用超導(dǎo)磁體的系統(tǒng)都是一個(gè)問(wèn)題，但Salazar的團(tuán)隊(duì)致力于防止在基于磁約束聚變?cè)O(shè)備的發(fā)電廠(chǎng)中發(fā)生淬火現(xiàn)象。這類(lèi)核聚變?cè)O(shè)備被稱(chēng)為托卡馬克，將在極高的溫度下維持等離子體，類(lèi)似于恒星的核心，在該處可以發(fā)生核聚變并產(chǎn)生凈能量輸出。沒(méi)有物理材料可以承受這種溫度，因此需要使用磁場(chǎng)來(lái)限制、控制和隔離等離子體。新型HTS磁體使托卡馬克的環(huán)形（甜甜圈形）磁性外殼既堅(jiān)固又緊湊，但是由淬火引起的磁場(chǎng)中斷會(huì)終止聚變過(guò)程，因此，提高傳感器性能和控制能力顯得至關(guān)重要。

鑒于此，Salazar的小組尋求了一種快速檢測(cè)超導(dǎo)體中溫度變化的方法，該溫度變化可以表征初期的淬火事件。他們的測(cè)試臺(tái)是在SPARC計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的一種新型超導(dǎo)電纜，稱(chēng)為VIPER。該電纜集成了涂有HTS材料的薄鋼帶組件，以及用于低溫冷卻的中央通道。VIPER的線(xiàn)圈可以產(chǎn)生比以往的低溫超導(dǎo)（LTS）電纜強(qiáng)2至3倍的磁場(chǎng)，這不僅可以轉(zhuǎn)化為更高的聚變輸出功率，而且還提高了磁場(chǎng)的能量密度，這將更加利于淬火檢測(cè)，從而保護(hù)電纜線(xiàn)圈。

 02  關(guān)注核聚變的可行性

與SPARC的整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)一樣，Salazar的團(tuán)隊(duì)著重于最終的商業(yè)化、可用性和易制造性，并著重于加快核聚變作為新能源的可行性。她曾在法國(guó)國(guó)際ITER聚變?cè)O(shè)施的LTS磁體生產(chǎn)和測(cè)試期間擔(dān)任General Atomics公司的機(jī)械工程師，這使她對(duì)傳感技術(shù)以及從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的關(guān)鍵過(guò)渡充滿(mǎn)了洞察力。
 
Salazar解釋道：“從制造轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)，幫助我們思考我們做的是否是切實(shí)可行的�！贝送�，她在電壓監(jiān)測(cè)方面的經(jīng)驗(yàn)（傳統(tǒng)的超導(dǎo)電纜淬火檢測(cè)方法）使她認(rèn)為需要另一種方法�！霸趯�(duì)ITER磁鐵進(jìn)行故障測(cè)試期間，我們觀(guān)察到電壓探頭導(dǎo)線(xiàn)上發(fā)生絕緣層的電氣故障。因?yàn)槲椰F(xiàn)在認(rèn)為破壞高壓絕緣層的任何事情都是主要的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，所以我對(duì)淬火檢測(cè)系統(tǒng)的看法是，我們將如何最大程度地降低這些風(fēng)險(xiǎn)，以及如何使它盡可能地堅(jiān)固？”
一種有前途的替代方法是使用刻有光纖布拉格光柵（FBG）的光纖進(jìn)行溫度測(cè)量。當(dāng)寬帶光通過(guò)FBG時(shí)，大多數(shù)光會(huì)通過(guò)，但是會(huì)反射某一波長(zhǎng)的光（由光柵的周期決定）。反射光的波長(zhǎng)隨溫度和應(yīng)變的變化而變化，因此沿光纖放置一系列具有不同周期的光柵可以對(duì)每個(gè)位置進(jìn)行獨(dú)立的溫度監(jiān)控。

盡管FBG已在許多不同的行業(yè)中用于測(cè)量應(yīng)變和溫度，包括在較小的超導(dǎo)電纜上，但并沒(méi)有用于像VIPER這樣具有高電流密度的大型電纜。Salazar說(shuō)：“我們希望把其他人的優(yōu)良產(chǎn)品用來(lái)測(cè)試我們的電纜設(shè)計(jì)�！彼�指出，VIPER電纜非常適合這種方法，因?yàn)樗�的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠承受核聚變磁體環(huán)境的強(qiáng)烈電力、機(jī)械和電磁應(yīng)力。

 03  關(guān)于FBG的新擴(kuò)展

RRI團(tuán)隊(duì)以超長(zhǎng)光纖布拉格光柵（ULFBG）——一系列長(zhǎng)度為9mm的光柵，間隔1mm，的形式提供了一種新穎的選擇。它們本質(zhì)上就像一個(gè)長(zhǎng)的準(zhǔn)連續(xù)FBG，但具有長(zhǎng)達(dá)米量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的FBG可以監(jiān)視局部溫度變化，而ULFBG可以同時(shí)監(jiān)測(cè)沿整個(gè)光纖的溫度變化，使得無(wú)論熱源在何位置它們都可以非�？焖俚貦z測(cè)溫度變化。

盡管這意味著熱源的位置是模糊的，但它在那些對(duì)故障初期識(shí)別有重要需求的系統(tǒng)中非常有效，如在運(yùn)行中的核聚變?cè)O(shè)備中。ULFBG和FBG的結(jié)合可以同時(shí)提供空間和時(shí)間分辨率。

一個(gè)來(lái)自CERN的團(tuán)隊(duì)將標(biāo)準(zhǔn)FBG應(yīng)用到了CERN的加速器磁鐵中。Salazar說(shuō)：“他們認(rèn)為包括ULFBG在內(nèi)的FBG技術(shù)在這類(lèi)的電纜上表現(xiàn)良好，希望對(duì)其進(jìn)行研究，并參與該項(xiàng)目”。

2019年，她和同事們前往位于瑞士維利根的SULTAN工廠(chǎng)，這是瑞士等離子體中心（SPC）運(yùn)營(yíng)的超導(dǎo)電纜評(píng)估中心。該中心隸屬于洛桑國(guó)際技術(shù)學(xué)院，負(fù)責(zé)評(píng)估VIPER電纜的樣品，通過(guò)嵌入到銅護(hù)套中的光纖測(cè)試電纜性能。他們也對(duì)比了光纖測(cè)試性能與傳統(tǒng)的電阻溫度傳感器性能。

 04  現(xiàn)實(shí)條件下的快速檢測(cè)

研究人員能夠在現(xiàn)實(shí)的工作條件下快速可靠地檢測(cè)出較小的溫度擾動(dòng)，與電學(xué)傳感器相比，光纖能夠更有效地捕捉熱失控前的早期淬火。與在核聚變?cè)O(shè)備中看到的具有挑戰(zhàn)性的電磁環(huán)境相比，光纖的信噪比要高好幾倍。此外，它們的靈敏度隨著淬火區(qū)域的擴(kuò)大而增加，并且可以調(diào)整光纖的響應(yīng)時(shí)間。這使他們能夠比電學(xué)傳感器更快幾十秒地檢測(cè)出淬火事件，尤其是在緩慢傳播的淬火過(guò)程中——這是HTS的獨(dú)特性質(zhì)。在托卡馬克環(huán)境中，這種緩慢傳播的淬火過(guò)程很難被電學(xué)傳感器檢測(cè)到，這將導(dǎo)致局部損壞。

該組織發(fā)文說(shuō)：“將光纖技術(shù)用于高溫超導(dǎo)磁體的失超檢測(cè)或者與電壓檢測(cè)一起作為雙重驗(yàn)證方法，有著巨大的前景。”此外，他們還列舉了該方法的可行性和低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室磁體部主任凱瑟琳·阿姆（Kathleen Amm）表示：“利用FBG進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)于保護(hù)HTS線(xiàn)圈免受淬火期間的損傷這一具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，是一種非常有希望的方法。這對(duì)緊湊型核聚變等突破性技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，其中實(shí)用、高場(chǎng)強(qiáng)、高溫的超導(dǎo)磁鐵是關(guān)鍵技術(shù)。它還有可能解決許多工業(yè)HTS應(yīng)用的淬火保護(hù)問(wèn)題。”

Salazar表示，目前正在改進(jìn)光纖的位置和安裝，包括使用的膠粘劑類(lèi)型，并研究如何在其他電纜和不同平臺(tái)上安裝光纖。
“我們與CFS進(jìn)行了大量對(duì)話(huà)，并繼續(xù)與RRI團(tuán)隊(duì)的ULFBG技術(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，并且我目前正在創(chuàng)建淬火動(dòng)力學(xué)的3D模型，因此我們可以更好地了解和預(yù)測(cè)不同條件下的淬火情況”，Salazar說(shuō)，“然后，我們可以為檢測(cè)系統(tǒng)制定設(shè)計(jì)方案，例如光柵的類(lèi)型和間距，以便它可以在所需的時(shí)間以及長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)。這將使控制工程師和研究淬火檢測(cè)算法的工程師能夠編寫(xiě)和優(yōu)化代碼。”

Salazar贊揚(yáng)了實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)出色的協(xié)作能力，并表示：“與RRI和CERN的合作非常特別。我們所有人都聚集在瑞士，共同努力，并取得了豐碩的成果�！�

本研究由CFS提供基金支持。
原文鏈接：
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
來(lái)源：光纖傳感Focus