새로운 광섬유 온도 감지 방식으로 핵융합 발전소를 계속 가동할 수 있음

안전하고 탄소가 없으며 상시 가동되는 에너지원으로서 융합에 대한 추구가 최근 몇 년 동안 강화되었으며 많은 조직에서 기술 시연 및 발전소 설계를 위한 공격적인 일정을 추구하고 있습니다. 차세대 초전도 자석은 이러한 프로그램 중 많은 부분을 가능하게 하는 중요한 요소로, 상업용 핵융합 발전소의 혹독한 조건에서 자석이 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 센서, 제어 및 기타 인프라에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

NSE(Department of Nuclear Science and Engineering) 박사 과정 학생인 Erica Salazar가 이끄는 협력 그룹은 최근 강력한 고온 초전도(HTS)에서 파괴적 이상, 급냉을 신속하게 감지하는 유망한 새로운 방법으로 이 분야에서 한 걸음 더 나아갔습니다. 자석. 소광은 자석 코일의 일부가 전기 저항이 없는 초전도 상태에서 정상적인 저항 상태로 이동할 때 발생합니다. 이로 인해 코일을 통해 흐르는 막대한 전류와 자석에 저장된 에너지가 빠르게 열로 변환되어 잠재적으로 코일에 심각한 내부 손상을 일으킬 수 있습니다.

퀜칭은 초전도 자석을 사용하는 모든 시스템의 문제이지만 Salazar의 팀은 자기 감금 핵융합 장치를 기반으로 하는 발전소에서 이를 방지하는 데 중점을 둡니다. 토카막(tokamak)으로 알려진 이러한 유형의 핵융합 장치는 핵융합이 일어날 수 있고 순 양의 에너지 출력을 생성할 수 있는 별의 핵과 유사한 극도로 높은 온도에서 플라즈마를 유지합니다. 물리적 물질은 이러한 온도를 처리할 수 없으므로 자기장은 플라즈마를 제한, 제어 및 절연하는 데 사용됩니다. 새로운 HTS 자석을 사용하면 tokamak의 도넛형(도넛 모양) 자기 인클로저를 더 강력하고 더 컴팩트하게 만들 수 있지만 퀜칭으로 인한 자기장이 중단되면 융합 프로세스가 중단되므로 개선된 센서 및 제어 기능이 중요합니다.

이를 염두에 두고 Salazar의 그룹은 초기 급랭 사건을 나타낼 수 있는 초전도체의 온도 변화를 신속하게 감지하는 방법을 모색했습니다. 그들의 테스트 베드는 VIPER로 알려진 SPARC 프로그램에서 개발된 새로운 초전도 케이블이었습니다. 이 케이블은 HTS 재료로 코팅된 얇은 강철 테이프 어셈블리를 통합하고 구리 포머로 안정화되고 구리와 스테인리스 스틸로 피복되어 있으며 극저온 냉각을 위한 중앙 채널이 있습니다. VIPER의 코일은 이전 세대의 저온 초전도(LTS) 케이블보다 2~3배 더 강한 자기장을 생성할 수 있습니다. 이것은 훨씬 더 높은 핵융합 출력으로 해석되지만, 또한 필드의 에너지 밀도를 더 높게 만들어 코일을 보호하기 위한 급랭 감지에 더 많은 부담을 줍니다.

전체 SPARC 연구 및 개발 노력과 마찬가지로 Salazar의 팀은 에너지원으로서 핵융합의 실행 가능성을 가속화하는 것을 목표로 최종 상업화, 유용성 및 제조 용이성에 중점을 두고 작업에 접근했습니다. 프랑스에 있는 국제 ITER 핵융합 시설에서 LTS 자석을 생산하고 테스트하는 동안 General Atomics에서 기계 엔지니어로 일한 경험을 통해 그녀는 감지 기술과 중요한 설계에서 생산으로의 전환에 대한 관점을 갖게 되었습니다.

유망한 대안은 광섬유 브래그 격자(FBG)로 알려진 미세 패턴이 새겨진 광섬유를 사용한 온도 측정이었습니다. 광대역 빛이 FBG로 향할 때 대부분의 빛은 통과하지만 하나의 파장(격자 패턴의 간격 또는 주기에 의해 결정됨)은 반사됩니다. 반사된 파장은 온도와 변형률에 따라 약간씩 달라지므로 광섬유를 따라 주기가 다른 일련의 격자를 배치하면 각 위치의 독립적인 온도 모니터링이 가능합니다.

FBG는 훨씬 더 작은 초전도 케이블을 포함하여 변형 및 온도 측정을 위해 다양한 산업에서 활용되어 왔지만 VIPER와 같은 고전류 밀도를 가진 더 큰 케이블에는 사용되지 않았습니다. "VIPER 케이블은 융합 자석 환경의 강한 전기적, 기계적, 전자기적 스트레스를 견디도록 설계된 안정적인 구조 때문에 이러한 접근 방식에 적합하다고 Salazar는 말합니다.

RRI 팀은 ULFBG(Ultra-Long Fiber Bragg gratings) 형태로 새로운 옵션을 제공했습니다. 이 격자는 1mm 간격으로 9mm FBG 시리즈입니다. 이들은 본질적으로 하나의 긴 준연속 FBG처럼 작동하지만 결합된 격자 길이가 밀리미터가 아닌 미터 길이가 될 수 있다는 장점이 있습니다. 기존의 FBG는 국부적인 지점에서 온도 변화를 모니터링할 수 있지만 ULFBG는 전체 길이에 따라 동시에 발생하는 온도 변화를 모니터링할 수 있으므로 열원의 위치에 관계없이 온도 변화를 매우 빠르게 감지할 수 있습니다.

이것은 핫스팟의 정확한 위치가 불명확하다는 것을 의미하지만 작동 중인 핵융합 장치와 같이 문제의 조기 식별이 가장 중요한 시스템에서 매우 잘 작동합니다. 그리고 ULFBG와 FBG의 조합은 공간적 및 시간적 해상도를 모두 제공할 수 있습니다. 스위스 제네바에 있는 CERN 시설의 가속기 자석에 대한 표준 FBG로 작업하는 CERN 팀을 통해 실습 검증 기회가 생겼습니다. "그들은 ULFBG 개념을 포함한 FBG 기술이 이러한 유형의 케이블에서 잘 작동할 것이라고 생각했고 이를 조사하기를 원했고 프로젝트에 참여했습니다."라고 Salazar는 말합니다.

2019년 그녀와 동료들은 에콜 폴리테크니크 페데랄 드 로잔(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)과 제휴한 스위스 플라즈마 센터(Swiss Plasma Center, SPC)가 운영하는 초전도 케이블 평가의 선두 센터인 스위스 Villigen에 있는 SULTAN 시설을 방문하여 VIPER 케이블 샘플을 평가했습니다. 광섬유는 외부 구리 재킷의 홈으로 설정됩니다. 성능을 기존 전압 탭 및 저항 온도 센서와 비교했습니다.

연구원들은 실제 작동 조건에서 작은 온도 교란을 빠르고 안정적으로 감지할 수 있었으며, 섬유는 전압 탭보다 열 폭주 전에 초기 단계의 급랭 성장을 더 효과적으로 포착했습니다. 융합 장치에서 볼 수 있는 까다로운 전자기 환경과 비교할 때 섬유의 신호 대 잡음비는 몇 배나 더 우수했습니다. 또한 켄치 영역이 확장됨에 따라 감도가 증가하고 섬유의 응답 시간을 조정할 수 있습니다. 이를 통해 특히 느리게 전파되는 급랭 중에 전압 탭보다 수십 초 더 빠르게 급냉 이벤트를 감지할 수 있었습니다. 이는 HTS 고유의 특성으로 토카막 환경에서 전압 탭이 감지하기 매우 어렵고 국부적인 손상을 유발할 수 있습니다.

Salazar는 사용된 접착제의 유형을 포함하여 섬유의 위치와 설치를 개선하고 다른 케이블과 다른 플랫폼에 섬유를 설치할 수 있는 방법을 조사하는 작업이 진행 중이라고 말합니다.