Nova abordagem de detecção de temperatura de fibra óptica pode manter usinas de fusão em funcionamento

A busca da fusão como uma fonte de energia segura, livre de carbono e sempre ativa intensificou-se nos últimos anos, com várias organizações buscando cronogramas agressivos para demonstrações de tecnologia e projetos de usinas de energia. Os ímãs supercondutores de nova geração são um facilitador crítico para muitos desses programas, o que cria uma necessidade crescente de sensores, controles e outras infraestruturas que permitirão que os ímãs operem de forma confiável nas condições adversas de uma usina de fusão comercial.

Um grupo colaborativo liderado pela estudante de doutorado do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) Erica Salazar recentemente deu um passo à frente nesta área com um novo método promissor para detecção rápida de uma anormalidade disruptiva, quench, em poderosos supercondutores de alta temperatura (HTS) ímãs. A extinção ocorre quando parte da bobina de um ímã sai de um estado supercondutor, onde não tem resistência elétrica, e entra em um estado resistivo normal. Isso faz com que a corrente maciça que flui através da bobina e a energia armazenada no ímã se convertam rapidamente em calor e potencialmente causem sérios danos internos à bobina.

Embora a extinção seja um problema para todos os sistemas que usam ímãs supercondutores, a equipe de Salazar está focada em preveni-la em usinas baseadas em dispositivos de fusão de confinamento magnético. Esses tipos de dispositivos de fusão, conhecidos como tokamaks, manterão um plasma em temperatura extremamente alta, semelhante ao núcleo de uma estrela, onde a fusão pode ocorrer e gerar uma saída de energia positiva. Nenhum material físico pode lidar com essas temperaturas, então os campos magnéticos são usados ​​para confinar, controlar e isolar o plasma. Os novos ímãs HTS permitem que o invólucro magnético toroidal (em forma de rosquinha) do tokamak seja mais forte e mais compacto, mas as interrupções no campo magnético da têmpera interromperiam o processo de fusão - daí a importância de recursos aprimorados de sensor e controle.

Com isso em mente, o grupo de Salazar buscou uma maneira de detectar rapidamente as mudanças de temperatura nos supercondutores, o que pode indicar incidentes nascentes de têmpera. Seu banco de testes foi um novo cabo supercondutor desenvolvido no programa SPARC conhecido como VIPER, que incorpora conjuntos de fitas finas de aço revestidas com material HTS, estabilizadas por um formador de cobre e encamisadas em cobre e aço inoxidável, com um canal central para resfriamento criogênico. As bobinas do VIPER podem gerar campos magnéticos duas a três vezes mais fortes do que o cabo supercondutor de baixa temperatura (LTS) de geração mais antiga; isso se traduz em potência de saída de fusão muito maior, mas também aumenta a densidade de energia do campo, o que coloca mais ônus na detecção de têmpera para proteger a bobina.

A equipe de Salazar, como todo o esforço de pesquisa e desenvolvimento do SPARC, abordou seu trabalho com foco na eventual comercialização, usabilidade e facilidade de fabricação, com o objetivo de acelerar a viabilidade da fusão como fonte de energia. Sua experiência como engenheira mecânica na General Atomics durante a produção e teste de ímãs LTS para a instalação internacional de fusão ITER na França deu sua perspectiva sobre tecnologias de detecção e a transição crítica do projeto para a produção.

Uma alternativa promissora foi a medição de temperatura usando fibras ópticas inscritas com micropadrões conhecidos como redes de Bragg de fibra (FBGs). Quando a luz de banda larga é direcionada para um FBG, a maior parte da luz passa, mas um comprimento de onda (determinado pelo espaçamento, ou período, do padrão da grade) é refletido. O comprimento de onda refletido varia ligeiramente com a temperatura e a tensão, de modo que a colocação de uma série de grades com diferentes períodos ao longo da fibra permite o monitoramento independente da temperatura de cada local.

Embora os FBGs tenham sido utilizados em muitos setores diferentes para medição de tensão e temperatura, inclusive em cabos supercondutores muito menores, eles não foram usados ​​em cabos maiores com altas densidades de corrente, como o VIPER. “O cabo VIPER foi bem adaptado para essa abordagem, observa Salazar, por causa de sua estrutura estável, projetada para suportar as intensas tensões elétricas, mecânicas e eletromagnéticas do ambiente de um ímã de fusão.

Uma nova opção foi fornecida pela equipe da RRI na forma de redes de Bragg de fibra ultralonga (ULFBGs) - uma série de FBGs de 9 milímetros espaçadas de 1 mm. Estes se comportam essencialmente como um FBG longo quase contínuo, mas com a vantagem de que o comprimento combinado da grade pode ter metros de comprimento em vez de milímetros. Enquanto os FBGs convencionais podem monitorar as mudanças de temperatura em pontos localizados, os ULFBGs podem monitorar as mudanças de temperatura que ocorrem simultaneamente ao longo de todo o seu comprimento, permitindo que eles forneçam uma detecção muito rápida da variação de temperatura, independentemente da localização da fonte de calor.

Embora isso signifique que a localização precisa dos pontos quentes é obscura, funciona muito bem em sistemas onde a identificação precoce de um problema é de extrema importância, como em um dispositivo de fusão operacional. E uma combinação de ULFBGs e FBGs poderia fornecer resolução espacial e temporal. Uma oportunidade de verificação prática veio por meio de uma equipe do CERN trabalhando com FBGs padrão em ímãs aceleradores nas instalações do CERN em Genebra, Suíça. “Eles acharam que a tecnologia FBG, incluindo o conceito ULFBG, funcionaria bem nesse tipo de cabo e quiseram analisá-la, e embarcaram no projeto”, diz Salazar.

Em 2019, ela e seus colegas viajaram para as instalações da SULTAN em Villigen, Suíça, um centro líder em avaliação de cabos supercondutores operado pelo Swiss Plasma Center (SPC), afiliado à Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, para avaliar amostras de cabos VIPER com fibras ópticas se encaixam em ranhuras em suas capas de cobre externas. Seu desempenho foi comparado aos tradicionais taps de tensão e sensores de temperatura de resistência.

Os pesquisadores foram capazes de detectar de forma rápida e confiável pequenas perturbações de temperatura sob condições operacionais realistas, com as fibras captando o crescimento de têmpera em estágio inicial antes da fuga térmica de forma mais eficaz do que as tomadas de tensão. Quando comparado ao ambiente eletromagnético desafiador visto em um dispositivo de fusão, a relação sinal-ruído das fibras foi várias vezes melhor; além disso, sua sensibilidade aumentou à medida que as regiões de têmpera se expandiram e os tempos de resposta das fibras puderam ser ajustados. Isso permitiu que eles detectassem eventos de quench dezenas de segundos mais rápido do que os taps de tensão, especialmente durante os quenchs de propagação lenta - uma característica exclusiva do HTS que é excepcionalmente difícil para os taps de tensão detectarem no ambiente tokamak e que pode levar a danos localizados.

Estão em andamento trabalhos para refinar a localização e instalação das fibras, incluindo o tipo de adesivo utilizado, e também para investigar como as fibras podem ser instaladas em outros cabos e em diferentes plataformas, diz Salazar.