혁신적 광섬유 온도 센서, 핵융합 발전소 신뢰성 운영 보장

안전하고 탄소 배출이 없으며 항상 가동 가능한 에너지원으로서 핵융합 추구가 최근 몇 년간 심화되면서, 여러 조직이 기술 시연과 발전소 설계에 대한 공격적인 일정을 추구하고 있습니다. 신세대 초전도 자석은 이러한 많은 프로그램의 중요한 가능 요소로, 상업용 핵융합 발전소의 가혹한 조건에서 자석이 신뢰성 있게 작동할 수 있게 할 센서, 제어, 기타 인프라에 대한 필요성이 커지고 있습니다.

핵과학공학과(NSE) 박사과정 Erica Salazar가 이끈 협력 그룹은 최근 강력하고 고온 초전도(HTS) 자석에서 파괴적인 이상 현상인 퀜치(quench)를 신속하게 감지하는 유망한 새로운 방법으로 이 분야에서 한 걸음 나아갔습니다. 퀜치는 자석 코일의 일부가 전기 저항이 없는 초전도 상태에서 정상 저항 상태로 전환될 때 발생합니다. 이로 인해 코일을 흐르는 막대한 전류와 자석에 저장된 에너지가 빠르게 열로 변환되어 코일에 심각한 내부 손상을 일으킬 수 있습니다.

퀜치는 초전도 자석을 사용하는 모든 시스템의 문제지만, Salazar 팀은 자기장 가두기 핵융합 장치 기반 발전소에서 이를 방지하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 유형의 핵융합 장치는 토카막으로 알려져 있으며, 별의 핵과 유사한 극도로 높은 온도에서 플라즈마를 유지하여 핵융합이 발생하고 순양의 에너지 출력을 생성할 수 있게 합니다. 어떤 물리적 물질도 그 온도를 견딜 수 없으므로 자기장이 플라즈마를 가두고, 제어하고, 절연하는 데 사용됩니다. 새로운 HTS 자석은 토카막의 토로이달(도넛 모양) 자기장 가두기를 더 강하고 콤팩트하게 만들지만, 퀜치로 인한 자기장 중단은 핵융합 과정을 멈추게 할 것입니다. 따라서 향상된 센서와 제어 능력이 중요합니다.

이를 염두에 두고 Salazar 그룹은 초전도체 온도 변화를 빠르게 감지하는 방법을 모색했습니다. 이는 초기 퀜치 사건을 나타낼 수 있습니다. 테스트 베드는 VIPER로 알려진 SPARC 프로그램에서 개발된 새로운 초전도 케이블이었습니다. 이 케이블은 HTS 물질로 코팅된 얇은 강철 테이프 조립체로, 구리 포머로 안정화되고 구리와 스테인리스강으로 재킷 처리되었으며, 극저온 냉각을 위한 중앙 채널이 있습니다. VIPER 코일은 구형 저온 초전도(LTS) 케이블보다 2~3배 더 강한 자기장을 생성할 수 있습니다. 이는 훨씬 더 높은 핵융합 출력 전력으로 이어지지만, 필드 에너지 밀도도 더 높아져 코일을 보호하기 위해 퀜치 감지에 더 많은 부담을 줍니다.

Salazar 팀은 전체 SPARC 연구개발 노력과 마찬가지로 최종 상용화, 사용성, 제조 용이성에 초점을 맞춰 작업에 접근했으며, 핵융합의 에너지원으로서 생존 가능성 가속화에 주안점을 두었습니다. 프랑스 국제 ITER 핵융합 시설용 LTS 자석 생산 및 테스트 중 General Atomics에서 기계 엔지니어로 근무한 그녀의 배경은 센싱 기술과 중요한 설계-생산 전환에 대한 관점을 주었습니다.

유망한 대안은 마이크로 패턴인 파이버 브래그 그레이팅(FBG)이 새겨진 광섬유를 사용한 온도 측정입니다. 광대역 빛이 FBG에 향하면 대부분 통과하지만, 그레이팅 패턴의 간격(주기)에 의해 결정된 한 파장이 반사됩니다. 반사 파장은 온도와 변형에 따라 약간 변하므로, 서로 다른 주기의 그레이팅 시리즈를 광섬유를 따라 배치하면 각 위치의 독립적인 온도 모니터링이 가능합니다.

FBG는 많은 다른 산업에서 변형과 온도 측정용으로 활용되어 왔으며, 훨씬 더 작은 초전도 케이블에도 사용되었습니다. 하지만 VIPER 같은 큰 전류 밀도의 대형 케이블에는 사용되지 않았습니다. "VIPER 케이블은 안정적인 구조로 이 접근 방식에 잘 적응되었습니다. Salazar는 지적합니다. 이는 핵융합 자석 환경의 강렬한 전기적, 기계적, 전자기적 스트레스를 견디도록 설계되었기 때문입니다."

RRI 팀이 제공한 새로운 옵션은 초장 파이버 브래그 그레이팅(ULFBG)입니다. 1mm 간격으로 배치된 9밀리미터 FBG 시리즈입니다. 이들은 본질적으로 하나의 긴 준연속 FBG처럼 행동하지만, 결합된 그레이팅 길이가 밀리미터가 아닌 미터 단위로 길 수 있다는 장점이 있습니다. 기존 FBG가 국소적인 지점에서 온도 변화를 모니터링할 수 있는 반면, ULFBG는 전체 길이에 걸쳐 동시에 발생하는 온도 변화를 모니터링할 수 있어 열원의 위치에 관계없이 온도 변화를 매우 빠르게 감지할 수 있습니다.

이는 핫스팟의 정확한 위치는 불분명해지지만, 운영 중인 핵융합 장치에서 문제의 조기 식별이 최우선인 시스템에서는 매우 잘 작동합니다. 그리고 ULFBG와 FBG의 조합으로 공간적, 시간적 분해능을 모두 제공할 수 있습니다. 실무 검증 기회는 제네바 스위스 CERN 시설에서 가속기 자석에 표준 FBG를 사용하는 CERN 팀을 통해 왔습니다. "그들은 FBG 기술, ULFBG 개념 포함, 이 케이블 유형에서 잘 작동할 것이라고 생각하고 조사에 참여했습니다."라고 Salazar는 말합니다.

2019년, 그녀와 동료들은 스위스 빌리겐의 SULTAN 시설로 갔습니다. 이곳은 로잔 연방공과대학 산하 스위스 플라즈마 센터(SPC)가 운영하는 초전도 케이블 평가의 선도적 센터입니다. 외부 구리 재킷의 홈에 광섬유를 설치한 VIPER 케이블 샘플을 평가했습니다. 성능은 전통적인 전압 탭과 저항 온도 센서와 비교되었습니다.

연구자들은 현실적인 운영 조건에서 작은 온도 교란을 빠르고 신뢰성 있게 감지할 수 있었으며, 섬유가 열폭주 전 초기 퀜치 성장을 전압 탭보다 더 효과적으로 포착했습니다. 핵융합 장치에서 보이는 도전적인 전자기 환경과 비교했을 때, 섬유의 신호대잡음비는 몇 배 더 좋았습니다. 또한 퀜치 영역이 확장됨에 따라 민감도가 증가했고, 섬유의 응답 시간은 조정 가능했습니다. 이는 전압 탭보다 수십 초 더 빠르게 퀜치 사건을 감지할 수 있게 했으며, 특히 HTS의 고유한 특성인 느리게 전파되는 퀜치에서 효과적이었습니다. 이는 토카막 환경에서 전압 탭이 감지하기 예외적으로 어렵고 국소적 손상을 초래할 수 있습니다.

섬유 위치와 설치 개선, 사용하는 접착제 유형, 다른 케이블과 다른 플랫폼에 섬유를 설치하는 방법 조사 작업이 진행 중이라고 Salazar는 말합니다.