Une nouvelle approche de détection de température par fibre optique pourrait permettre aux centrales électriques à fusion de fonctionner

La poursuite de la fusion en tant que source d'énergie sûre, sans carbone et toujours active s'est intensifiée ces dernières années, un certain nombre d'organisations poursuivant des délais agressifs 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, de commandes et d'autres infrastructures qui permettront aux aimants de fonctionner de manière fiable dans les conditions difficiles d'une centrale électrique à fusion commerciale.

Un groupe collaboratif dirigé par Erica Salazar, étudiante au doctorat 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 pour la détection rapide d'une anomalie perturbatrice, quench, dans un puissant supraconducteur à haute température (HTS). aimants. L'extinction se produit lorsqu'une partie de la bobine d'un aimant passe d'un état supraconducteur, où elle n'a pas de résistance électrique, à un état résistif normal. Cela fait que le courant massif circulant dans la bobine et l'énergie stockée dans l'aimant se transforment rapidement en chaleur et peuvent potentiellement causer de graves dommages internes à la bobine.

Alors que l'extinction est un problème pour tous les systèmes utilisant des aimants supraconducteurs, l'équipe de Salazar se concentre sur sa prévention dans les centrales électriques basées sur des dispositifs de fusion à confinement magnétique. Ces types de dispositifs de fusion, connus sous le nom de tokamaks, maintiendront un plasma à une température extrêmement élevée, similaire au cœur 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, de sorte que 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.

Dans cet esprit, 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 minces rubans d'acier recouverts de matériau HTS, stabilisés par un moule en cuivre et gainés de cuivre et d'acier inoxydable, avec un canal central pour le refroidissement cryogénique. Les bobines de VIPER peuvent générer des champs magnétiques deux à trois fois plus puissants que le câble supraconducteur basse température (LTS) de l'ancienne génération ; cela se traduit par une puissance de sortie de fusion considérablement plus élevée, mais rend également la densité d'énergie du champ plus élevée, ce qui impose plus de responsabilité à la détection de la trempe pour protéger la bobine.

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

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 majeure partie de la lumière passe à travers, mais une longueur d'onde (déterminée par l'espacement ou la période du motif du réseau) est réfléchie. La longueur d'onde réfléchie varie légèrement avec la température et la contrainte, de sorte que le placement d'une série de réseaux avec différentes périodes 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. "Le câble VIPER était bien adapté à cette approche, note Salazar, en raison de sa structure stable, conçue pour résister aux contraintes électriques, mécaniques et électromagnétiques intenses de l'environnement d'un aimant de fusion.

Une nouvelle option a été proposée par l'équipe RRI sous la forme de réseaux de Bragg à fibres ultra-longues (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 réseau 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 se produisant simultanément sur toute leur longueur, ce qui leur permet 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 dispositif 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 les installations du CERN à Genève, en Suisse. "Ils pensaient que la technologie FBG, y compris le concept ULFBG, fonctionnerait bien sur ce type de câble et voulaient se pencher dessus, et se sont embarqués dans le projet", explique Salazar.

En 2019, elle et ses collègues se sont rendus à l'installation SULTAN à Villigen, en Suisse, un centre de premier plan pour l'évaluation des câbles supraconducteurs exploité par le Swiss Plasma Center (SPC), affilié à l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, pour évaluer des échantillons de câble VIPER avec fibres optiques placées 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.

Les chercheurs ont pu détecter rapidement et de manière fiable de petites perturbations de température dans des conditions de fonctionnement réalistes, les fibres captant la croissance de trempe à un stade précoce avant l'emballement thermique plus efficacement que les prises de tension. Par rapport à l'environnement électromagnétique difficile observé dans un appareil de fusion, le rapport signal/bruit des fibres était plusieurs fois meilleur ; de plus, leur sensibilité augmentait à mesure que les régions de trempe s'étendaient, et les temps de réponse des fibres pouvaient 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 au HTS qui est exceptionnellement difficile à détecter pour les prises de tension dans l'environnement du tokamak, et qui peut entraîner des dommages localisés.

Des travaux sont en cours pour affiner l'emplacement et l'installation des fibres, y compris le type d'adhésif utilisé, et également pour étudier comment les fibres peuvent être installées dans d'autres câbles et sur différentes plates-formes, explique Salazar.