Мониторинг распределения тока позволяет обнаруживать затухание и повреждение сверхпроводящих термоядерных магнитов.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 22503 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1932 года

17 Альтметрика

Подробности о метриках

Термоядерные магниты, изготовленные из высокотемпературных сверхпроводящих кабелей ReBCO CORC®, обычно защищаются системами обнаружения гашения, которые используют измерения напряжения или температуры для запуска процессов извлечения тока. Хотя были продемонстрированы небольшие катушки с низкой индуктивностью, защита магнитов остается проблемой, и магниты обычно эксплуатируются с небольшим знанием собственных рабочих параметров. Мы предлагаем систему защиты, основанную на мониторинге распределения тока в сварных кабелях с ограниченным распределением тока между кабелями. Используя инверсные методы Био-Савара для распределения массивов датчиков Холла вокруг оконечных устройств CORC® «кабель в кабелепроводе» (CICC), отдельные токи в кабеле воссоздаются и используются для извлечения параметров прогнозной модели. Показано, что эти параметры имеют значение для обнаружения повреждения проводника и определения пределов безопасной эксплуатации магнита. Обученная модель затем используется для прогнозирования распределения тока в кабеле в режиме реального времени, а отклонения между прогнозами и обратными воссозданными распределениями тока Био-Савара используются для генерации триггеров гашения. Эта методология перспективна для контроля качества, оперативного планирования и обнаружения гашения в режиме реального времени в связанных кабелях CORC® для компактных термоядерных реакторов.

Кабели ReBCO являются перспективной технологией для компактных термоядерных реакторов1,2,3 благодаря высокой критической температуре, сильному критическому полю и возможности формирования съемных магнитов4. Компания Commonwealth Fusion Systems разрабатывает компактные термоядерные реакторы5 на основе конструкции кабеля VIPER ReBCO6. Tokamak Energy также разрабатывает компактные термоядерные реакторы7 на основе проводников ReBCO. Концепция магнита для Научного центра термоядерного синтеза (FNSF) была недавно предложена на основе CORC® «кабель-в-канале-проводник» (CICC)8, который состоит из переставленных кабелей CORC®9 вокруг каркаса в структуре типа «6 вокруг 1»10. ,11. Соленоид CORC® недавно был испытан в фоновом поле 14 Тл12 с целью доказать возможности проводника в сильном поле. С аналогичными исследовательскими целями отдельный CORC®-подобный соленоид был испытан в фоновом поле 19 Тл для Китайского испытательного реактора термоядерного синтеза (CFETR)13.

Несмотря на быстрый прогресс в разработке кабелей ReBCO для термоядерных реакторов, обнаружение закалки и защита от магнитов остаются активной областью исследований2,14,15. В токамаках большая магнитная индуктивность и высокая скорость изменения напряжения усложняют защиту при традиционных измерениях напряжения образца. Некоторые усилия были направлены на защиту, основанную на температуре, включая оптические волокна16,17,18,19, активную акустическую термометрию20 и сверхпроводящие провода с совместной намоткой, оптимизированные для работы в качестве теплового переключателя21,22,23. Марчевский и др.24 продемонстрировали обнаружение гашения в щелевой ленте ReBCO на основе изменений магнитного поля, связанных с перераспределением тока, что позже было продемонстрировано между лентами одного провода CORC®25 и между кабелями CORC® CICC26. Эти методы, основанные на зондах Холла, могут быть очень чувствительны к событиям, которые предшествуют тепловому выходу из-под контроля; однако явления, лежащие в основе измерений магнитного поля, должны быть решены, чтобы принимать обоснованные решения в режиме реального времени. С аналогичной целью недавнее исследование объединило датчики Холла и образцы напряжения для мониторинга переходных процессов в неизолированных катушках ReBCO в режиме реального времени27.

Хотя в этих ссылках описывается развитие технологий, все еще существует необходимость продемонстрировать надежную магнитную защиту ReBCO в сложных условиях термоядерных реакторов; для этого может потребоваться бесплатный набор диагностических услуг. В этой работе мы предлагаем и разрабатываем систему мониторинга распределения тока в сварных кабелях с ограниченным распределением тока между кабелями, например, 6-во-1, показанную на рис. 1, в дополнение к защите на основе напряжения и температуры. Измерения с помощью распределенных массивов датчиков Холла сочетаются с обратным процессом Био-Савара для воссоздания токов в отдельных кабелях в реальном времени. Это позволяет извлечь параметры динамической модели сети, включая распределение оконечных сопротивлений и критических токов кабеля. Это можно использовать для выявления плохого соединения или повреждения проводника; это важно для контроля качества термоядерных магнитов. Используя ранее опубликованные данные Вайса и др.26, обученная модель затем используется для прогнозирования текущих распределений CICC, а отклонения между прогнозами и обратными воссозданными распределениями тока Био-Савара используются для генерации триггеров гашения.

\) (see Fig. 4). \(B_{ik}\) is the field measured by the single-axis Hall probe k from the single current at cable i, \(I_{i,z}\) is the current in the z direction of cable i and \(\vec {r}_{ik}\) is the x–y vector between line current i and Hall probe k. The equation is split over two lines to highlight that \(B_{ik}\) is a linear function of current. For terminations with more complex geometries, the differential Biot-Savart law can be integrated with unitary current. Following the implementation of Ref.30, in the absence of magnetic material and sensor positioning errors the measured response at Hall probe k is the sum of Eq. 2 over all \(n_i\) cables:/p>