Noticias Actualidad en procesos industriales

Dele visibilidad a su trayectoria académica

Participe en la convocatoria de trabajos inéditos de Virtual Pro.

Publicar Ahora

2021-02-08Un nuevo método de detección de temperatura por fibra óptica para mantener en funcionamiento las centrales de fusión

MIT |Erica Salazar, del MIT, demuestra que una detección más rápida de los desplazamientos térmicos puede evitar que se produzcan eventos de quench en los imanes HTS utilizados en los dispositivos de fusión tokamak.

La búsqueda de la fusión como fuente de energía segura, sin emisiones de carbono y permanente se ha intensificado en los últimos años, y varias organizaciones persiguen plazos agresivos para las demostraciones tecnológicas y los diseños de centrales eléctricas. Los imanes superconductores de nueva generación son un elemento crítico para muchos de estos programas, lo que crea una necesidad creciente de sensores, controles y otras infraestructuras que permitan que los imanes funcionen de forma fiable en las duras condiciones de una central de fusión comercial.

Un grupo de colaboración dirigido por la estudiante de doctorado del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) Erica Salazar ha dado recientemente un paso adelante en este ámbito con un nuevo y prometedor método para la detección rápida de una anomalía perturbadora, el quench, en potentes imanes superconductores de alta temperatura (HTS). Salazar colaboró con el profesor adjunto de NSE Zach Hartwig, del Centro de Ciencia y Fusión del Plasma (PSFC) del MIT, y Michael Segal, de la empresa derivada Commonwealth Fusion Systems (CFS), junto con miembros del centro de investigación suizo CERN y del Instituto de Investigación Robinson (RRI) de la Universidad Victoria de Nueva Zelanda, para lograr los resultados, que se publicaron en la revista Superconductor Science and Technology.

Stanching quench

El "quench" se produce cuando parte de la bobina de un imán pasa de un estado superconductor, en el que no tiene resistencia eléctrica, a un estado resistivo normal. Esto hace que la corriente masiva que fluye por la bobina, y la energía almacenada en el imán, se convierta rápidamente en calor y pueda causar graves daños internos a la bobina.

Aunque el quench es un problema para todos los sistemas que utilizan imanes superconductores, el equipo de Salazar se centra en evitarlo en las centrales eléctricas basadas en dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos tipos de dispositivos de fusión, conocidos como tokamaks, mantienen un plasma a una temperatura extremadamente alta, similar a la del núcleo de una estrella, donde puede producirse la fusión y generar una producción de energía neta positiva. Ningún material físico puede soportar esas temperaturas, por lo que se utilizan campos magnéticos para confinar, controlar y aislar el plasma. Los nuevos imanes HTS permiten que el recinto magnético toroidal (en forma de rosquilla) del tokamak sea más fuerte y más compacto, pero las interrupciones del campo magnético debidas al enfriamiento detendrían el proceso de fusión, de ahí la importancia de mejorar las capacidades de sensor y control.

Por ello, el grupo de Salazar buscó una forma de detectar rápidamente los cambios de temperatura en los superconductores, que pueden indicar incidentes de apagado incipiente. Su banco de pruebas era un novedoso cable superconductor desarrollado en el programa SPARC conocido como VIPER, que incorpora conjuntos de cintas de acero delgadas recubiertas de material HTS, estabilizadas por un formador de cobre y revestidas de cobre y acero inoxidable, con un canal central para la refrigeración criogénica. Las bobinas de VIPER pueden generar campos magnéticos dos o tres veces más potentes que los cables superconductores de baja temperatura (HTS) de la generación anterior; esto se traduce en una potencia de salida de la fusión mucho mayor, pero también hace que la densidad de energía del campo sea más alta, lo que hace que la detección del apagado sea más importante para proteger la bobina.

Un enfoque en la viabilidad de la fusión

El equipo de Salazar, al igual que todo el esfuerzo de investigación y desarrollo del SPARC, abordó su trabajo centrándose en la posible comercialización, utilidad y facilidad de fabricación, con la vista puesta en acelerar la viabilidad de la fusión como fuente de energía. Su experiencia como ingeniera mecánica en General Atomics durante la producción y las pruebas de los imanes LTS para la instalación internacional de fusión ITER en Francia le dio una perspectiva sobre las tecnologías de detección y la transición crítica del diseño a la producción.

"Pasar de la fabricación al diseño me ayudó a pensar si lo que estamos haciendo es una aplicación práctica", explica Salazar. Además, su experiencia con la monitorización de la tensión, el enfoque tradicional de detección de apagado para el cable superconductor, la llevó a pensar que era necesario un enfoque diferente. "Durante las pruebas de fallos de los imanes del ITER, observamos que se producía una rotura eléctrica del aislamiento en los cables de las tomas de tensión. Como ahora considero que cualquier cosa que rompa el aislamiento de alta tensión es un punto de riesgo importante, mi perspectiva sobre un sistema de detección de apagado era: ¿qué hacemos para minimizar estos riesgos y cómo podemos hacerlo lo más robusto posible?"

Una alternativa prometedora era la medición de la temperatura mediante fibras ópticas inscritas con micropatrones conocidos como rejillas de Bragg de fibra (FBG). Cuando la luz de banda ancha se dirige a una FBG, la mayor parte de la luz la atraviesa, pero una longitud de onda (determinada por el espaciado, o periodo, del patrón de la rejilla) se refleja. La longitud de onda reflejada varía ligeramente con la temperatura y la tensión, por lo que la colocación de una serie de rejillas con diferentes periodos a lo largo de la fibra permite controlar la temperatura de cada lugar de forma independiente.

Aunque los FBG se han utilizado en muchos sectores para medir la tensión y la temperatura, incluso en cables superconductores mucho más pequeños, no se habían utilizado en cables más grandes con altas densidades de corriente como el VIPER. "Queríamos tomar el buen trabajo de otros y ponerlo a prueba en nuestro diseño de cable", dice Salazar. El cable VIPER estaba bien adaptado a este enfoque, señala, debido a su estructura estable, diseñada para soportar las intensas tensiones eléctricas, mecánicas y electromagnéticas del entorno de un imán de fusión.

Una nueva extensión de los FBG

El equipo del RRI ofreció una nueva opción en forma de rejillas de Bragg de fibra ultralarga (ULFBG), una serie de FBG de 9 milímetros separadas 1 mm. Estas rejillas se comportan esencialmente como un FBG largo y casi continuo, pero con la ventaja de que la longitud combinada de las rejillas puede ser de metros en lugar de milímetros. Mientras que los FBG convencionales pueden controlar los cambios de temperatura en puntos localizados, los ULFBG pueden controlar los cambios de temperatura que se producen simultáneamente a lo largo de toda su longitud, lo que les permite ofrecer una detección muy rápida de las variaciones de temperatura, independientemente de la ubicación de la fuente de calor.

Aunque esto significa que la localización precisa de los puntos calientes queda oculta, funciona muy bien en sistemas en los que la identificación temprana de un problema es de suma importancia, como en un dispositivo de fusión en funcionamiento. Y una combinación de ULFBGs y FBGs podría proporcionar resolución espacial y temporal.

Un equipo del CERN que trabajaba con FBG estándar en los imanes del acelerador en las instalaciones del CERN en Ginebra (Suiza) tuvo la oportunidad de comprobarlo. "Pensaron que la tecnología FBG, incluido el concepto ULFBG, funcionaría bien en este tipo de cable y quisieron investigarlo, y se subieron al proyecto", dice Salazar.

En 2019, ella y sus colegas viajaron a las instalaciones de SULTAN en Villigen, Suiza, un centro líder en la evaluación de cables superconductores operado por el Centro Suizo de Plasma (SPC), que está afiliado a la Escuela Politécnica Federal de Lausana, para evaluar muestras de cable VIPER con fibras ópticas colocadas en ranuras en sus cubiertas de cobre exteriores. Su rendimiento se comparó con el de las tomas de tensión tradicionales y los sensores de temperatura por resistencia.

Detección rápida en condiciones reales

Los investigadores fueron capaces de detectar de forma rápida y fiable pequeñas alteraciones de temperatura en condiciones de funcionamiento realistas, y las fibras detectaron el crecimiento de la fase de enfriamiento antes del desbordamiento térmico de forma más eficaz que las tomas de tensión. En comparación con el difícil entorno electromagnético de un dispositivo de fusión, la relación señal/ruido de las fibras era varias veces mejor; además, su sensibilidad aumentaba a medida que se ampliaban las regiones de extinción y los tiempos de respuesta de las fibras podían ajustarse. Esto les permitió detectar eventos de quench decenas de segundos más rápido que las derivaciones de tensión, especialmente durante quenches de propagación lenta - una característica única de HTS que es excepcionalmente difícil de detectar para las derivaciones de tensión en el entorno del tokamak, y que puede conducir a daños localizados.

"Las tecnologías de fibra óptica para la detección del apagado de los imanes HTS o como método de verificación dual con la tensión resultan muy prometedoras", afirma el grupo, que también menciona la posibilidad de fabricación y el mínimo riesgo tecnológico del método.

"El desarrollo de mediciones sensibles de la temperatura con FBG es un enfoque muy prometedor para el difícil problema de proteger las bobinas HTS de los daños durante los apagados", observa Kathleen Amm, directora de la División de Imanes del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que no estaba afiliada al esfuerzo de investigación. "Esto es fundamental para el desarrollo de tecnologías que cambian el juego, como la fusión compacta, en la que los imanes superconductores prácticos de alto campo y alta temperatura son una tecnología clave. También tiene el potencial de resolver el problema de la protección contra el apagado para muchas aplicaciones industriales de HTS".

Se está trabajando en el perfeccionamiento de la ubicación e instalación de las fibras, incluido el tipo de adhesivo utilizado, y también en la investigación de cómo se pueden instalar las fibras en otros cables y en diferentes plataformas, dice Salazar.

"Estamos dialogando mucho con el CFS y seguimos coordinándonos con la tecnología ULFBG del equipo RRI, y actualmente estoy creando un modelo 3D de la dinámica de apagado, para poder entender y predecir mejor cómo sería el apagado en diferentes condiciones", afirma Salazar. "Entonces podremos desarrollar recomendaciones de diseño para el sistema de detección, como el tipo y el espaciado de las rejillas, para que pueda detectar en el tiempo deseado. Eso permitirá a los ingenieros de control y a los que trabajan en los algoritmos de detección del quench escribir y optimizar su código."

Salazar alabó el extraordinario compañerismo del equipo experimental, señalando que "la colaboración con el RRI y el CERN fue especial. Todos convergimos en Suiza, trabajamos duro juntos y nos divertimos poniendo nuestro empeño y obteniendo grandes resultados."

La financiación de esta investigación fue proporcionada por el CSA.

MIT
Autor
MIT

Promover la investigación, las innovaciones, la enseñanza y los eventos y las personas de interés periodístico del MIT a la comunidad del campus, los medios de comunicación y el público en general, Comunicar anuncios del Instituto, Publicar noticias de la comunidad para profesores, estudiantes, personal y ex alumnos del MIT, Proporcionar servicios de medios a los miembros de la comunidad, incluido el asesoramiento sobre cómo trabajar con periodistas, Responder a consultas de los medios y solicitudes de entrevistas...

Empresas destacadas

Productos destacados