Capteurs de température à fibre optique révolutionnaires pourraient assurer le fonctionnement fiable des centrales de fusion

La poursuite de la fusion comme source d'énergie sûre, sans carbone, toujours disponible s'est intensifiée ces dernières années, avec un certain nombre d'organisations poursuivant des calendriers agressifs pour les démonstrations technologiques et les conceptions de centrales électriques. Les aimants supraconducteurs de nouvelle génération sont un facteur clé pour beaucoup de ces programmes, ce qui crée un besoin croissant de capteurs, contrôles et autres infrastructures qui permettront aux aimants de fonctionner de manière fiable dans les conditions difficiles d'une centrale de fusion commerciale.

Un groupe collaboratif dirigé par la doctorante Erica Salazar du 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, le quench, dans de puissants aimants supraconducteurs à haute température (HTS). Le quench 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 cause le courant massif circulant dans la bobine, et l'énergie stockée dans l'aimant, à se convertir rapidement en chaleur, et potentiellement causer de graves dommages internes à la bobine.

Bien que le quench soit un problème pour tous les systèmes utilisant des aimants supraconducteurs, l'équipe de Salazar se concentre sur sa prévention dans les centrales 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 noyau d'une étoile, où la fusion peut se produire et générer une sortie d'énergie nette positive. Aucun matériau physique ne peut gérer ces températures, donc des 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 forte et plus compacte, mais les interruptions dans le champ magnétique dues au quench arrêteraient le processus de fusion — d'où l'importance de capacités de capteur et de contrôle améliorées.

Avec cela à l'esprit, le groupe de Salazar a cherché un moyen de repérer rapidement les changements de température dans les supraconducteurs, qui peuvent indiquer des incidents de quench naissants. Leur banc d'essai était un câble supraconducteur nouveau développé dans le programme SPARC connu sous le nom de VIPER, qui incorpore des assemblages de ruban d'acier mince revêtu de matériau HTS, stabilisé par un ancien en cuivre et gainé en cuivre et acier inoxydable, 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 génération précédente ; cela se traduit en une puissance de fusion de sortie bien plus élevée, mais rend aussi la densité d'énergie du champ plus élevée, ce qui place plus de responsabilité sur la détection de quench pour protéger la bobine.

L'équipe de Salazar, comme tout l'effort de recherche et développement SPARC, a abordé son travail avec un focus sur la commercialisation éventuelle, l'utilisabilité et la facilité de fabrication, avec un œil vers l'accélération de la viabilité de la fusion comme source d'énergie. Son parcours en tant qu'ingénieure mécanique chez General Atomics pendant la production et les tests d'aimants LTS pour la facility de fusion internationale ITER en France lui a donné une perspective sur les technologies de détection et la transition critique conception-production.

Une alternative prometteuse était la mesure de température utilisant des fibres optiques inscrites avec des micro-motifs connus sous le nom de réseaux de Bragg fibrés (FBG). Quand une 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, donc le placement d'une série de réseaux avec différentes périodes le long de la fibre permet une surveillance de température indépendante de chaque emplacement.

Bien que les FBG aient été utilisés dans de nombreuses industries différentes pour la mesure de contrainte et de température, y compris sur des câbles supraconducteurs beaucoup plus petits, ils n'avaient pas été utilisés sur des câbles plus grands avec des densités de courant élevées comme VIPER. « Le câble VIPER était bien adapté pour 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 option nouvelle a été fournie par l'équipe RRI sous la forme de réseaux de Bragg fibrés ultra-longs (ULFBG) — une série de FBG de 9 millimètres espacés de 1 mm. Ceux-ci se comportent essentiellement comme un seul 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 simultanément les changements de température se produisant le long de leur toute longueur, leur permettant de fournir une détection très rapide de variation de température, indépendamment de 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 opération. Et une combinaison d'ULFBG et de FBG pourrait fournir à la fois une résolution spatiale et temporelle. Une opportunité de vérification pratique est venue via une équipe du CERN travaillant avec des FBG standards sur des aimants d'accélérateur au CERN à Genève, Suisse. « Ils pensaient que la technologie FBG, y compris le concept ULFBG, fonctionnerait bien sur ce type de câble et voulaient y jeter un œil, et ont rejoint le projet », dit Salazar.

En 2019, elle et ses collègues se sont rendus à la facility SULTAN à Villigen, Suisse, un centre de premier plan pour l'évaluation de câbles supraconducteurs opéré par le Swiss Plasma Center (SPC), affilié 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 de cuivre externes. Leur performance a été comparée 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 sous des conditions d'opération réalistes, les fibres détectant la croissance de quench à un stade précoce avant l'emballement thermique plus efficacement que les prises de tension. Comparé à l'environnement électromagnétique difficile vu dans un dispositif de fusion, le rapport signal/bruit des fibres était plusieurs fois meilleur ; en plus, leur sensibilité augmentait à mesure que les régions de quench s'étendaient, et leurs temps de réponse pouvaient être ajustés. Cela leur a permis de détecter des événements de quench des dizaines de secondes plus vite que les prises de tension, surtout pendant les quenches à propagation lente — une caractéristique unique aux HTS qui est exceptionnellement difficile à détecter pour les prises de tension dans l'environnement du tokamak, et qui peut mener à des dommages localisés.

Le travail est en cours sur le raffinement de l'emplacement et de l'installation des fibres, y compris le type d'adhésif utilisé, et aussi sur l'investigation de comment les fibres peuvent être installées dans d'autres câbles et sur différentes plateformes, dit Salazar.