Sensor Suhu Serat Optik Revolusioner untuk Operasi Terpercaya Pembangkit Listrik Fusi
Usaha untuk mengembangkan energi fusi sebagai sumber energi aman, bebas karbon, dan terus-menerus semakin intensif dalam beberapa tahun terakhir. Banyak organisasi menargetkan jadwal agresif untuk demonstrasi teknologi dan desain pembangkit listrik. Magneten superkonduktor generasi baru menjadi penggerak kritis untuk banyak program ini, sehingga menciptakan kebutuhan yang semakin tumbuh akan sensor, kontrol, dan infrastruktur lainnya yang memungkinkan magneten beroperasi dengan andal di kondisi yang ekstrem di pembangkit listrik fusi komersial.
Kelompok kolaboratif yang dipimpin oleh mahasiswa program dokter Departemen Ilmu Nuklir dan Rekayasa (NSE), Erica Salazar, baru saja mengambil langkah maju di bidang ini dengan metode baru yang menjanjikan untuk deteksi cepat gangguan yang mengganggu, quench, pada magneten superkonduktor suhu tinggi (HTS) yang kuat. Quench terjadi ketika sebagian gulungan magneten beralih dari keadaan superkonduktor, di mana tidak ada hambatan listrik, ke keadaan resistif normal. Ini menyebabkan arus massal yang mengalir melalui gulungan, dan energi tersimpan di magneten, dengan cepat berubah menjadi panas, dan potensialmente menyebabkan kerusakan internal serius pada gulungan.
Meskipun quench adalah masalah untuk semua sistem yang menggunakan magneten superkonduktor, tim Salazar berfokus pada mencegahnya di pembangkit listrik yang didasarkan pada perangkat fusi penahanan magnetik. Jenis perangkat fusi ini, dikenal sebagai tokamak, akan mempertahankan plasma pada suhu yang sangat tinggi, mirip dengan inti bintang, di mana fusi dapat terjadi dan menghasilkan keluaran energi bersih positif. Tidak ada bahan fisik yang dapat menahan suhu tersebut, jadi medan magnet digunakan untuk memegak, mengontrol, dan mengisolasi plasma. Magneten HTS baru memungkinkan penangkap magnetik toroidal (berbentuk donat) tokamak menjadi lebih kuat dan lebih kompak, namun gangguan dalam medan magnet dari quench akan menghentikan proses fusi — oleh karena itu pentingnya kemampuan sensor dan kontrol yang ditingkatkan.
Dengan hal ini dalam pikiran, kelompok Salazar mencari cara untuk dengan cepat mendeteksi perubahan suhu dalam superkonduktor, yang dapat menunjukkan insiden quench dalam tahap awal. Tempat uji mereka adalah kabel superkonduktor baru yang dikembangkan dalam program SPARC dikenal sebagai VIPER, yang menggabungkan assembly pita tipis baja dilapis bahan HTS, stabilized oleh former tembaga dan jaket tembaga serta stainless steel, dengan saluran tengah untuk pendingin kriogenik. Gulungan VIPER dapat menghasilkan medan magnet dua hingga tiga kali lebih kuat daripada kabel superkonduktor suhu rendah (LTS) generasi lama; ini menerjemahkan menjadi daya keluaran fusi yang jauh lebih tinggi, namun juga membuat kepadatan energi medan lebih tinggi, yang menempatkan beban lebih besar pada deteksi quench untuk melindungi gulungan.
Tim Salazar, seperti seluruh upaya penelitian dan pengembangan SPARC, mendekati pekerjaannya dengan fokus pada komersialisasi, kegunaan, dan kemudahan manufaktur, dengan tujuan mempercepat kelayakan fusi sebagai sumber energi. Latar belakangnya sebagai insinyur mekanik di General Atomics selama produksi dan pengujian magneten LTS untuk fasilitas fusi internasional ITER di Prancis memberinya perspektif tentang teknologi sensor dan transisi kritis dari desain ke produksi.
Alternatif yang menjanjikan adalah pengukuran suhu menggunakan serat optik yang diukir dengan pola mikro yang dikenal sebagai fiber Bragg gratings (FBG). Ketika cahaya broadband diarahkan ke FBG, sebagian besar cahaya melewatinya, namun satu panjang gelombang (ditentukan oleh jarak, atau periode, pola grating) dipantulkan. Panjang gelombang yang dipantulkan bervariasi sedikit dengan suhu dan regangan, jempatempatkan serangkaian grating dengan periode yang berbeda sepanjang serat memungkinkan pemantauan suhu independen di setiap lokasi.
Meskipun FBG telah dimanfaatkan di banyak industri berbeda untuk pengukuran regangan dan suhu, termasuk pada kabel superkonduktor yang jauh lebih kecil, mereka belum pernah digunakan pada kabel yang lebih besar dengan kepadatan arus tinggi seperti VIPER. “Kabel VIPER sangat cocok untuk pendekatan ini,” kata Salazar, karena struktur stabilnya, yang dirancang untuk menahan stres listrik, mekanik, dan elektromagnetik yang intens di lingkungan magneten fusi.
Opsi baru diberikan oleh tim RRI dalam bentuk fiber Bragg grating ultra-panjang (ULFBG) — serangkaian FBG 9 milimeter yang berjarak 1 milimeter. Ini pada dasarnya berperilaku seperti satu FBG quasi-kontinu yang panjang, tetapi dengan keunggulan bahwa panjang gabungan grating dapat mencapai meter alih-alih milimeter. Meskipun FBG konvensional dapat memantau perubahan suhu pada titik terlokalisir, ULFBG dapat memantau perubahan suhu yang terjadi secara bersamaan sepanjang seluruh panjangnya, memungkinkan deteksi sangat cepat variasi suhu, terlepas dari lokasi sumber panas.
Meskipun ini berarti lokasi tepat titik panas menjadi samar, ini bekerja sangat baik dalam sistem di mana identifikasi dini masalah adalah hal terpenting, seperti dalam perangkat fusi yang sedang 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 magneten akselerator di fasilitas CERN di Geneva, Swiss. “Mereka pikir teknologi FBG, termasuk konsep ULFBG, akan bekerja baik pada jenis kabel ini dan ingin menelitiinya, dan bergabung dengan proyek,” kata Salazar.
Pada 2019, ia dan rekan-rekannya pergi ke fasilitas SULTAN di Villigen, Swiss, sebuah pusat terkemuka untuk evaluasi kabel superkonduktor yang dioperasikan oleh Swiss Plasma Center (SPC), yang afiliasi dengan Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, untuk mengevaluasi sampel kabel VIPER dengan serat optik yang ditempatkan di ranuran pada jaket tembaga luarnya. Performa mereka dibandingkan dengan tap tegangan tradisional dan sensor suhu resistensi.
Peneliti dapat dengan cepat dan terpercaya mendeteksi gangguan suhu kecil di bawah kondisi operasi yang realistis, dengan serat menangkap pertumbuhan quench tahap awal sebelum runaway termal lebih efektif daripada tap tegangan. Ketika dibandingkan dengan lingkungan elektromagnetik yang sulit yang dilihat dalam perangkat fusi, rasio sinis-ke-bisau serat lebih baik beberapa kali lipat; selain itu, sensitivitasnya meningkat seiring dengan perluasan wilayah quench, dan waktu respons serat dapat diatur. Ini memungkinkan mereka mendeteksi peristiwa quench puluhan detik lebih cepat daripada tap tegangan, terutama selama quench yang menyebar lambat — karakteristik unik HTS yang sangat sulit untuk dideteksi oleh tap tegangan di lingkungan tokamak, dan yang dapat menyebabkan kerusakan lokal.
Pekerjaan sedang berjalan untuk menyempurnakan lokasi dan pemasangan serat, termasuk jenis perekat yang digunakan, dan juga untuk meneliti bagaimana serat dapat dipasang pada kabel lain dan platform yang berbeda, kata Salazar.
