La poursuite de la fusion comme coffre-fort, sans carbone, source d'énergie permanente s'est intensifiée ces dernières années, avec un certain nombre d'organisations poursuivant des délais serrés pour les démonstrations technologiques et la conception de centrales électriques. Les aimants supraconducteurs de nouvelle génération sont un catalyseur essentiel pour bon nombre de ces programmes, ce qui crée un besoin croissant de capteurs, les contrôles, et d'autres infrastructures qui permettront aux aimants de fonctionner de manière fiable dans les conditions difficiles d'une centrale à fusion commerciale.

Un groupe collaboratif dirigé par Erica Salazar, doctorante au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires (NSE), a récemment fait un pas en avant dans ce domaine avec une nouvelle méthode prometteuse de détection rapide d'une anomalie perturbatrice, éteindre, dans de puissants aimants supraconducteurs à haute température (HTS). Salazar a travaillé avec le professeur assistant NSE Zach Hartwig du MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) et Michael Segal du spin-out Commonwealth Fusion Systems (CFS), avec des membres du centre de recherche suisse du CERN et du Robinson Research Institute (RRI) de l'Université Victoria en Nouvelle-Zélande pour obtenir les résultats, qui ont été publiés dans la revue Science et technologie des supraconducteurs .

Trempe étouffante

L'extinction se produit lorsqu'une partie de la bobine d'un aimant sort d'un état supraconducteur, où il n'a pas de résistance électrique, et dans un état résistif normal. Cela provoque le courant massif circulant dans la bobine, et de l'énergie stockée dans l'aimant, se transformer rapidement en chaleur, et potentiellement causer de graves dommages internes à la bobine.

Alors que la trempe est un problème pour tous les systèmes utilisant des aimants supraconducteurs, L'équipe de Salazar se concentre sur la prévention dans les centrales électriques basées sur des dispositifs de fusion à confinement magnétique. Ces types d'appareils de fusion, connu sous le nom de tokamaks, maintiendra un plasma à une température extrêmement élevée, semblable au noyau d'une étoile, où la fusion peut se produire et générer une production d'énergie nette positive. Aucun matériau physique ne peut supporter ces températures, donc les champs magnétiques sont utilisés pour confiner, contrôler, et isoler le plasma. Les nouveaux aimants HTS permettent à l'enceinte magnétique toroïdale (en forme de beignet) du tokamak d'être à la fois plus solide et plus compacte, mais les interruptions du champ magnétique dues à la trempe arrêteraient le processus de fusion, d'où l'importance d'améliorer les capacités de détection et de contrôle.

Avec ça en tête, Le groupe de Salazar a cherché un moyen de repérer rapidement les changements de température dans les supraconducteurs, ce qui peut indiquer des incidents de trempe naissants. Leur banc d'essai était un nouveau câble supraconducteur développé dans le cadre du programme SPARC connu sous le nom de VIPER, qui incorpore des assemblages de ruban d'acier mince recouvert de matériau HTS, stabilisé par une forme de cuivre et gainé de cuivre et d'inox, avec un canal central pour le refroidissement cryogénique. Les bobines de VIPER peuvent générer des champs magnétiques deux à trois fois plus forts que le câble supraconducteur à basse température (LTS) de l'ancienne génération ; cela se traduit par une puissance de fusion beaucoup plus élevée, mais rend également la densité d'énergie du champ plus élevée, ce qui met plus de poids sur la détection de trempe pour protéger la bobine.

Un focus sur la viabilité de la fusion

L'équipe de Salazar, comme tout l'effort de recherche et développement de SPARC, a abordé son travail en mettant l'accent sur une éventuelle commercialisation, convivialité, et facilité de fabrication, en vue d'accélérer la viabilité de la fusion en tant que source d'énergie. Son expérience en tant qu'ingénieur en mécanique chez General Atomics lors de la production et des tests d'aimants LTS pour l'installation de fusion internationale ITER en France lui a donné un point de vue sur les technologies de détection et la transition critique de la conception à la production.

« Passer de la fabrication à la conception m'a aidé à me demander si ce que nous faisons est une mise en œuvre pratique, " explique Salazar. De plus, son expérience en surveillance de tension, l'approche traditionnelle de détection de trempe pour les câbles supraconducteurs, l'a amenée à penser qu'une approche différente était nécessaire. « Lors des tests de panne des aimants d'ITER, nous avons observé un claquage électrique de l'isolation se produisant au niveau des fils de prise de tension. Parce que je considère maintenant tout ce qui casse l'isolation haute tension comme un point de risque majeur, mon point de vue sur un système de détection de trempe était, que faisons-nous pour minimiser ces risques, et comment pouvons-nous le rendre aussi robuste que possible ? »

Une alternative prometteuse était la mesure de la température à l'aide de fibres optiques inscrites avec des micro-motifs connus sous le nom de réseaux de Bragg à fibres (FBG). Lorsque la lumière à large bande est dirigée vers un FBG, la plupart de la lumière passe à travers, mais une longueur d'onde (déterminée par l'espacement, ou période, du motif du réseau) est réfléchie. La longueur d'onde réfléchie varie légèrement avec la température et la contrainte, ainsi, le placement d'une série de réseaux avec des périodes différentes le long de la fibre permet une surveillance indépendante de la température de chaque emplacement.

Alors que les FBG ont été exploités dans de nombreuses industries différentes pour la mesure de la contrainte et de la température, y compris sur des câbles supraconducteurs beaucoup plus petits, ils n'avaient pas été utilisés sur des câbles plus gros avec des densités de courant élevées comme VIPER. « Nous voulions prendre le bon travail des autres et le mettre à l'épreuve sur la conception de nos câbles, " dit Salazar. Le câble VIPER était bien adapté à cette approche, elle note, en raison de sa structure stable, qui est conçu pour résister à l'électricité intense, mécanique, et les contraintes électromagnétiques de l'environnement d'un aimant de fusion.

Une nouvelle extension sur les FBG

Une nouvelle option a été proposée par l'équipe RRI sous la forme de réseaux de Bragg à fibre ultra-longue (ULFBG) - une série de FBG de 9 millimètres espacés de 1 mm. Ceux-ci se comportent essentiellement comme un long FBG quasi-continu, mais avec l'avantage que la longueur de grille combinée peut être de plusieurs mètres au lieu de millimètres. Alors que les FBG conventionnels peuvent surveiller les changements de température à des points localisés, Les ULFBG peuvent surveiller les changements de température simultanés sur toute leur longueur, leur permettant de fournir une détection très rapide des variations de température, quel que soit l'emplacement de la source de chaleur.

Bien que cela signifie que l'emplacement précis des points chauds est obscurci, cela fonctionne très bien dans les systèmes où l'identification précoce d'un problème est de la plus haute importance, comme dans un appareil de fusion en fonctionnement. Et une combinaison d'ULFBG et de FBG pourrait fournir une résolution à la fois spatiale et temporelle.

Une opportunité de vérification pratique s'est présentée via une équipe du CERN travaillant avec des FBG standard sur des aimants d'accélérateur dans l'installation du CERN à Genève, La Suisse. "Ils pensaient que la technologie FBG, dont le concept ULFBG, fonctionnerait bien sur ce type de câble et je voulais me renseigner, et s'est embarqué dans le projet, " dit Salazar.

En 2019, elle et ses collègues se sont rendus à l'installation SULTAN à Villigen, La Suisse, un centre leader pour l'évaluation des câbles supraconducteurs exploité par le Swiss Plasma Center (SPC), qui est affiliée à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, pour évaluer des échantillons de câble VIPER avec des fibres optiques insérées dans des rainures sur leurs gaines extérieures en cuivre. Leurs performances ont été comparées aux prises de tension traditionnelles et aux capteurs de température à résistance.

Détection rapide dans des conditions réalistes

Les chercheurs ont pu détecter rapidement et de manière fiable de petites perturbations de température dans des conditions de fonctionnement réalistes, avec les fibres captant la croissance de trempe à un stade précoce avant l'emballement thermique plus efficacement que les prises de tension. Comparé à l'environnement électromagnétique difficile observé dans un dispositif de fusion, le rapport signal/bruit des fibres était plusieurs fois meilleur; en outre, leur sensibilité augmentait à mesure que les régions de trempe s'étendaient, et les temps de réponse des fibres pourraient être ajustés. Cela leur a permis de détecter les événements d'extinction des dizaines de secondes plus rapidement que les prises de tension, en particulier pendant les trempes à propagation lente - une caractéristique unique à HTS qui est exceptionnellement difficile à détecter pour les prises de tension dans l'environnement du tokamak, et qui peuvent entraîner des dommages localisés.

" chanter les technologies de fibre optique pour la détection d'extinction des aimants HTS ou en tant que méthode de double vérification avec une tension très prometteuse, " dit la rédaction du groupe, qui cite également la fabricabilité et le risque technologique minimal de l'approche.