Pendekatan Penginderaan Suhu Fiber Optic Baru Dapat Menjaga Pembangkit Listrik Fusion Tetap Berjalan
Pengejaran fusi sebagai sumber energi yang aman, bebas karbon, dan selalu aktif telah meningkat dalam beberapa tahun terakhir, dengan sejumlah organisasi mengejar jadwal yang agresif untuk demonstrasi teknologi dan desain pembangkit listrik. Magnet superkonduktor generasi baru adalah pendukung penting untuk banyak program ini, yang menciptakan kebutuhan yang meningkat akan sensor, kontrol, dan infrastruktur lain yang memungkinkan magnet beroperasi dengan andal dalam kondisi sulit pembangkit listrik fusi komersial.
Sebuah kelompok kolaboratif yang dipimpin oleh mahasiswa doktoral Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir (NSE) Erica Salazar baru-baru ini mengambil langkah maju di bidang ini dengan metode baru yang menjanjikan untuk deteksi cepat kelainan yang mengganggu, memadamkan, dalam superkonduktor suhu tinggi yang kuat (HTS) magnet. Quench terjadi ketika bagian dari kumparan magnet bergeser keluar dari keadaan superkonduktor, di mana ia tidak memiliki hambatan listrik, dan menjadi keadaan resistif normal. Hal ini menyebabkan arus besar yang mengalir melalui kumparan, dan energi yang tersimpan dalam magnet, dengan cepat berubah menjadi panas, dan berpotensi menyebabkan kerusakan internal yang serius pada kumparan.
Sementara pendinginan adalah masalah untuk semua sistem yang menggunakan magnet superkonduktor, tim Salazar berfokus untuk mencegahnya di pembangkit listrik berdasarkan perangkat fusi kurungan magnet. Jenis perangkat fusi ini, yang dikenal sebagai tokamaks, akan mempertahankan plasma pada suhu yang sangat tinggi, mirip dengan inti bintang, di mana fusi dapat terjadi dan menghasilkan keluaran energi positif bersih. Tidak ada bahan fisik yang dapat menangani suhu tersebut, sehingga medan magnet digunakan untuk membatasi, mengontrol, dan mengisolasi plasma. Magnet HTS yang baru memungkinkan penutup magnet toroidal (berbentuk donat) menjadi lebih kuat dan lebih kompak, tetapi gangguan dalam medan magnet dari pendinginan akan menghentikan proses fusi — oleh karena itu pentingnya peningkatan kemampuan sensor dan kontrol.
Dengan pemikiran ini, kelompok Salazar mencari cara cepat melihat perubahan suhu di superkonduktor, yang dapat menunjukkan insiden pendinginan yang baru lahir. Test bed mereka adalah kabel superkonduktor baru yang dikembangkan dalam program SPARC yang dikenal sebagai VIPER, yang menggabungkan rakitan pita baja tipis yang dilapisi dengan bahan HTS, distabilkan oleh bekas tembaga dan dilapisi tembaga dan baja tahan karat, dengan saluran pusat untuk pendinginan kriogenik. Gulungan VIPER dapat menghasilkan medan magnet dua hingga tiga kali lebih kuat daripada kabel superkonduktor suhu rendah (LTS) generasi lama; ini menghasilkan daya keluaran fusi yang jauh lebih tinggi, tetapi juga membuat kepadatan energi medan lebih tinggi, yang menempatkan lebih banyak tanggung jawab pada deteksi pendinginan untuk melindungi koil.
Tim Salazar, seperti seluruh upaya penelitian dan pengembangan SPARC, mendekati pekerjaannya dengan fokus pada komersialisasi, kegunaan, dan kemudahan pembuatan, dengan tujuan untuk mempercepat kelangsungan fusi sebagai sumber energi. Latar belakangnya sebagai insinyur mesin dengan General Atomics selama produksi dan pengujian magnet LTS untuk fasilitas fusi ITER internasional di Prancis memberinya perspektif tentang teknologi penginderaan dan transisi desain-ke-produksi yang penting.
Alternatif yang menjanjikan adalah pengukuran suhu menggunakan serat optik yang ditorehkan dengan pola mikro yang dikenal sebagai serat Bragg grating (FBGs). Ketika cahaya broadband diarahkan pada FBG, sebagian besar cahaya melewati, tetapi satu panjang gelombang (ditentukan oleh jarak, atau periode, dari pola kisi) dipantulkan. Panjang gelombang yang dipantulkan sedikit berbeda dengan suhu dan regangan, sehingga penempatan serangkaian kisi dengan periode berbeda di sepanjang serat memungkinkan pemantauan suhu independen di setiap lokasi.
Sementara FBG telah dimanfaatkan di banyak industri yang berbeda untuk pengukuran regangan dan suhu, termasuk pada kabel superkonduktor yang jauh lebih kecil, FBG belum digunakan pada kabel yang lebih besar dengan kerapatan arus tinggi seperti VIPER. “Kabel VIPER telah disesuaikan dengan baik untuk pendekatan ini, catat Salazar, karena strukturnya yang stabil, yang dirancang untuk menahan tekanan listrik, mekanik, dan elektromagnetik yang kuat dari lingkungan magnet fusi.
Sebuah opsi baru disediakan oleh tim RRI dalam bentuk ultra-long fiber Bragg gratings (ULFBGs) — serangkaian FBG 9-milimeter dengan jarak 1 mm. Ini pada dasarnya berperilaku sebagai satu FBG kuasi-kontinyu yang panjang, tetapi dengan keuntungan bahwa panjang kisi gabungan bisa menjadi meter, bukan milimeter. Sementara FBG konvensional dapat memantau perubahan suhu pada titik-titik lokal, ULFBG dapat memantau perubahan suhu yang terjadi secara bersamaan di sepanjang panjangnya, memungkinkan mereka untuk memberikan deteksi variasi suhu yang sangat cepat, terlepas dari lokasi sumber panas.
Meskipun ini berarti bahwa lokasi yang tepat dari hot spot dikaburkan, ini bekerja dengan sangat baik dalam sistem di mana identifikasi awal masalah adalah yang paling penting, seperti pada perangkat fusi yang beroperasi. Dan kombinasi ULFBG dan FBG dapat memberikan resolusi spasial dan temporal. Kesempatan untuk verifikasi langsung datang melalui tim CERN yang bekerja dengan FBG standar pada magnet akselerator di fasilitas CERN di Jenewa, Swiss. “Mereka mengira teknologi FBG, termasuk konsep ULFBG, akan bekerja dengan baik pada jenis kabel ini dan ingin memeriksanya, dan ikut serta dalam proyek tersebut,” kata Salazar.
Pada tahun 2019, ia dan rekan-rekannya melakukan perjalanan ke fasilitas SULTAN di Villigen, Swiss, pusat evaluasi kabel superkonduktor terkemuka yang dioperasikan oleh Swiss Plasma Center (SPC), yang berafiliasi dengan Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, untuk mengevaluasi sampel kabel VIPER dengan serat optik diatur ke dalam alur pada jaket tembaga luarnya. Performanya dibandingkan dengan tap voltase tradisional dan sensor suhu resistansi.
Para peneliti dapat dengan cepat dan andal mendeteksi gangguan suhu kecil di bawah kondisi operasi yang realistis, dengan serat mengambil pertumbuhan pendinginan tahap awal sebelum pelarian termal lebih efektif daripada keran tegangan. Jika dibandingkan dengan lingkungan elektromagnetik yang menantang yang terlihat pada perangkat fusi, rasio signal-to-noise serat beberapa kali lebih baik; selain itu, sensitivitasnya meningkat saat daerah pendinginan meluas, dan waktu respons serat dapat disetel. Hal ini memungkinkan mereka untuk mendeteksi peristiwa pendinginan puluhan detik lebih cepat daripada tap tegangan, terutama selama pendinginan yang merambat perlahan — karakteristik unik untuk HTS yang sangat sulit dideteksi oleh tap tegangan di lingkungan tokamak, dan yang dapat menyebabkan kerusakan lokal.
Pekerjaan sedang dilakukan untuk menyempurnakan lokasi dan pemasangan serat, termasuk jenis perekat yang digunakan, dan juga menyelidiki bagaimana serat dapat dipasang di kabel lain dan pada platform yang berbeda, kata Salazar.
