Matthijs van Berkel ontvangt Vidi voor holistisch regelsysteem fusiereactor

July 1st 2022

DIFFER-onderzoeker Matthijs van Berkel ontvangt een prestigieuze Vidi van NWO. Met de beurs van 800.000 euro kan hij vijf jaar lang met drie teamleden een regelsysteem ontwikkelen voor het gecontroleerd schieten van ijskoude balletjes waterstof in fusiereactoren.

Read this in English


Matthijs van Berkel bij een van de segmenten van ITER.
© ITER/Sabina Griffith

Toen Matthijs van Berkel maandag gebeld werd door NWO met de melding dat hij een Vidi had bemachtigd, was hij superblij. Maar het was ook onwerkelijk. “De persoon die mij belde, stelde voor dat ik het zou vieren en iets leuks zou gaan doen,” zegt Van Berkel. “Maar ja, ik zit nu net in quarantaine dus ik heb gezegd dat ik me maar beter even koest kon houden.”

Bijvullen van fusiereactoren
Tot nu toe werd er niet zoveel onderzoek gedaan naar het gereguleerd bijvullen of tanken (fueling) van fusiereactoren. De heersende gedachte was: laten we eerst maar eens zorgen dat we een plasma kunnen handhaven.

Volgens Van Berkel is het bijvullen van een fusiereactor vergelijkbaar met het schieten met een machinegeweer. “We schieten ijskoude balletjes van ongeveer een halve centimeter doorsnee de reactor in waar ze diep in het plasma oplossen. De pellets, zoals de balletjes officieel worden genoemd, bevatten waterstof in de vorm van deuterium en tritium. In de reactor is het 150 miljoen graden Celsius. Daar gaan die deuterium en tritium fuseren en ontstaat een enorme hoeveelheid energie.”

Virtuele experimenten
Van Berkel krijgt van NWO 800.000 euro om in vijf jaar te besteden. Hij investeert vooral in menskracht. Met twee promovendi en een postdoc gaat het team modeleren, simuleren en een generiek pelletregelsysteem ontwikkelen voor fusiereactoren. Ze gaan de werking testen en demonstreren op de fusiereactor ASDEX-U in Zuid-Duitsland.

Dankzij virtuele experimenten kunnen Van Berkel en de zijnen de omstandigheden naar wens aanpassen. Vragen die ze stellen, zijn bijvoorbeeld: wanneer werkt een pellet van 0,4 centimeter beter dan eentje van 0,5 of bijna 0,6? Hoe moet je het systeem regelen als de pellets snel of langzaam de reactor in worden geschoten? Hoe kun je bijsturen als de pellets te vroeg uit elkaar vallen? Is het voor de regelaar handiger om pellets te omhullen met een laagje xenon of is krypton beter?

Systeembenadering
Bij Van Berkel staat een zogeheten systeembenadering centraal: “Ik noem het ook wel eens ‘holistisch’. We willen namelijk niet alleen een regelsysteem ontwerpen voor het bijvullen, maar we houden bijvoorbeeld ook rekening met de interactie van de pellets met het plasma en we kijken naar de wand en de uitlaat.”

Volgens Van Berkel is het fusieonderzoek nu zover gevorderd dat je niet meer moet proberen om een enkel onderdeel te onderzoeken en te regelen. “Juist door alle processen in zijn geheel te regelen, kom je vooruit.” Het in zijn geheel benaderen van het regelprobleem heeft ook voordelen. “Holistische modellen en simulaties zijn vaak eenvoudiger dan als je alles los probeert te regelen en daarna aan elkaar probeert te knopen,” zegt Van Berkel.

Hybride regeltechniek: discreet én continu
De regelsystemen die Van Berkel gaat ontwerpen, zijn zogeheten hybride regelsystemen. Dat betekent dat er sprake is van een continu deel en een discreet deel. Discreet zijn de pellets die op bepaalde momenten worden ingeschoten. Continu is het plasma dat de hele tijd aanwezig is en continu verandert. Van Berkel: “Die combinatie van discreet en continu maakt mijn project bijzonder vergeleken met veel andere regelsystemen. Het is uniek voor het kernfusieonderzoek.”

Van Berkel en zijn team gaan niet alleen software bouwen en algoritmes bedenken. “De hybride regeltechniek is nog deels braakliggend terrein. We gaan dus ook theorieën ontwikkelen. Dat doen we samen met andere experts op het gebied van hybride regeltechniek.”

Ook voor niet-fusiewereld
Van Berkel gaat ervanuit dat zijn regelsystemen op allerlei reactoren gebruikt zal worden. Niet alleen op de Duitse fusiereactor ASDEX-U waar hij zijn regelaar gaat testen, maar ook op de grote fusiereactor ITER die in aanbouw is in Zuid-Frankrijk. Van Berkel is al in gesprek met mensen uit de niet-fusiewereld, want hybride regeltechniek kan bijvoorbeeld ook helpen bij het maken van brandstof uit CO2.

Van Berkel studeerde werktuigbouwkunde aan de Technische Universiteit Eindhoven met als specialisatie regeltechniek. Tijdens zijn promotieonderzoek onderzocht hij het warmtetransport in een fusiereactor. En bij zijn postdocperiode keek hij wat er gebeurt bij de uitlaat. “En nu komt alles samen”, zegt Van Berkel. “Met dit Vidi-onderzoek kan ik al mijn kennis combineren. Dat is fantastisch.”

Over Vidi
Vidi is een van de zogeheten persoonsgerichte subsidies in het talentprogramma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het is een subsidie voor jonge wetenschappers die na hun promotie al enkele jaren onderzoek deden. Ze kunnen met het geld een eigen, vernieuwende onderzoekslijn ontwikkelen en een of meer onderzoekers aanstellen. Tegelijk met Matthijs van Berkel vroegen nog 625 onderzoekers een Vidi aan. Er zijn 101 voorstellen (16%) gehonoreerd.