Sensores de Temperatura de Fibra Óptica Revolucionários Podem Garantir Operação Confiável de Usinas de Fusão

A busca por fusão como fonte de energia segura, livre de carbono, sempre ligada intensificou nos últimos anos, com várias organizações perseguindo cronogramas agressivos para demonstrações de tecnologia e designs de usinas. Novos ímãs supercondutores de última geração são um habilitador crítico para muitos destes programas, o que cria uma necessidade crescente de sensores, controles e outra infraestrutura que permitirão aos ímãs operarem confiavelmente nas condições severas de uma usina de fusão comercial.

Um grupo colaborativo liderado pela doutoranda do Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) Erica Salazar recentemente deu um passo adiante nesta área com um novo método promissor para detecção rápida de uma anormalidade disruptiva, quench, em poderosos ímãs supercondutores de alta temperatura (HTS). Quench ocorre quando parte da bobina de um ímã muda de um estado supercondutor, onde não tem resistência elétrica, para um estado resistivo normal. Isso causa a corrente massiva fluindo através da bobina, e energia armazenada no ímã, a converter rapidamente em calor, e potencialmente causar danos internos sérios à bobina.

Embora quench seja um problema para todos os sistemas usando ímãs supercondutores, a equipe de Salazar está focada em preveni-lo em usinas baseadas em dispositivos de fusão de confinamento magnético. Estes tipos de dispositivos de fusão, conhecidos como tokamaks, manterão um plasma a temperatura extremamente alta, similar ao núcleo de uma estrela, onde fusão pode ocorrer e gerar saída de energia líquida positiva. Nenhum material físico pode lidar com aquelas temperaturas, então campos magnéticos são usados para confinar, controlar e isolar o plasma. Os novos ímãs HTS permitem que o recinto magnético toroidal (em forma de donut) do tokamak seja tanto mais forte quanto mais compacto, mas interrupções no campo magnético de quench paralisariam o processo de fusão — daí a importância de capacidades melhoradas de sensor e controle.

Com isso em mente, o grupo de Salazar buscou uma maneira de detectar rapidamente mudanças de temperatura nos supercondutores, que podem indicar incidentes nascentes de quench. Seu banco de teste foi um cabo supercondutor inovador desenvolvido no programa SPARC conhecido como VIPER, que incorpora montagens de fita de aço fina revestida com material HTS, estabilizada por um formador de cobre e revestida em cobre e aço inoxidável, com um canal central para resfriamento criogênico. Bobinas de VIPER podem gerar campos magnéticos duas a três vezes mais fortes que cabo supercondutor de baixa temperatura (LTS) de geração anterior; isso se traduz em potência de saída de fusão vastamente maior, mas também torna a densidade de energia do campo maior, o que coloca mais responsabilidade na detecção de quench para proteger a bobina.

O grupo de Salazar, como todo o esforço de pesquisa e desenvolvimento SPARC, abordou seu trabalho com foco em eventual comercialização, usabilidade e facilidade de fabricação, com olho em acelerar a viabilidade da fusão como fonte de energia. Seu histórico como engenheira mecânica com General Atomics durante produção e teste de ímãs LTS para a instalação de fusão internacional ITER na França deu-lhe perspectiva sobre tecnologias de sensoriamento e a transição crítica de design para produção.

Uma alternativa promissora foi medição de temperatura usando fibras ópticas inscritas com micro-padrões conhecidos como grades de Bragg de fibra (FBGs). Quando luz de banda larga é direcionada a um FBG, a maior parte da luz passa através, mas um comprimento de onda (determinado pelo espaçamento, ou período, do padrão da grade) é refletido. O comprimento de onda refletido varia ligeiramente com tanto temperatura quanto tensão, então colocação de uma série de grades com diferentes períodos ao longo da fibra permite monitoramento de temperatura independente de cada localização.

Embora FBGs tenham sido alavancados em muitas indústrias diferentes para medição de tensão e temperatura, incluindo em cabos supercondutores muito menores, eles não tinham sido usados em cabos maiores com altas densidades de corrente como VIPER. "Cabo VIPER foi bem adaptado para esta abordagem, observa Salazar, por causa de sua estrutura estável, que é projetada para suportar os intensos estresses elétricos, mecânicos e eletromagnéticos do ambiente de um ímã de fusão.

Uma opção nova foi fornecida pela equipe RRI na forma de grades de Bragg de fibra ultra-longas (ULFBGs) — uma série de FBGs de 9 milímetros espaçados 1 mm aparte. Estes essencialmente se comportam como um único FBG quasi-contínuo, mas com a vantagem de que o comprimento combinado da grade pode ser metros de comprimento em vez de milímetros. Enquanto FBGs convencionais podem monitorar mudanças de temperatura em pontos localizados, ULFBGs podem monitorar simultaneamente mudanças de temperatura ocorrendo ao longo de todo seu comprimento, permitindo que forneçam detecção muito rápida de variação de temperatura, independentemente da localização da fonte de calor.

Embora isso signifique que a localização precisa de pontos quentes seja obscurecida, funciona muito bem em sistemas onde identificação precoce de um problema é de suma importância, como em um dispositivo de fusão operacional. E uma combinação de ULFBGs e FBGs poderia fornecer resolução espacial e temporal. Uma oportunidade para verificação prática veio via uma equipe do CERN trabalhando com FBGs padrão em ímãs de acelerador na instalação do CERN em Genebra, Suíça. "Eles acharam que tecnologia FBG, incluindo o conceito ULFBG, funcionaria bem neste tipo de cabo e quiseram investigar, e entraram no projeto," diz Salazar.

Em 2019, ela e colegas viajaram para a instalação SULTAN em Villigen, Suíça, um centro líder para avaliação de cabo supercondutor operado pelo Centro de Plasma Suíço (SPC), afiliado à Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, para avaliar amostras de cabo VIPER com fibras ópticas colocadas em ranhuras em suas jaquetas externas de cobre. Seu desempenho foi comparado a torneiras de tensão tradicionais e sensores de temperatura de resistência.

Os pesquisadores conseguiram detectar rapidamente e confiavelmente pequenas perturbações de temperatura sob condições operacionais realistas, com as fibras captando crescimento de quench em estágio inicial antes de fuga térmica mais efetivamente que as torneiras de tensão. Quando comparado ao ambiente eletromagnético desafiador visto em um dispositivo de fusão, a relação sinal-ruído das fibras era várias vezes melhor; além disso, sua sensibilidade aumentava à medida que regiões de quench expandiam, e seus tempos de resposta podiam ser ajustados. Isso permitiu que detectassem eventos de quench dezenas de segundos mais rápido que torneiras de tensão, especialmente durante quenches de propagação lenta — uma característica única de HTS que é excepcionalmente difícil para torneiras de tensão detectar no ambiente tokamak, e que pode levar a danos localizados.

Trabalho está em andamento refinando a localização e instalação das fibras, incluindo o tipo de adesivo usado, e também investigando como as fibras podem ser instaladas em outros cabos e em diferentes plataformas, diz Salazar.