Van varen op gevoel naar strak onder controle: Hittebeheersing in fusiereactoren in Nature Communications

February 12th 2021

Midden in een fusiereactor is het onwaarschijnlijk heet. Waterstof dat uit dit binnenste ontsnapt, moet op weg naar de wand worden afgekoeld, anders smelt de reactorwand. DIFFER-onderzoekers ontwikkelden met het EPFL Swiss Plasma Center een strakke meet- en regelmethode om deze hete ontsnapte deeltjes uit het fusieplasma extreem gecontroleerd te kunnen koelen. De mijlpaal in het fusie-onderzoek verschijnt in Nature Communications.


De gesloten lus van meten, berekenen en beheersen om te voorkomen
dat de wand wordt verwoest. Credit: Julia van Leeuwen

“We gaan van bestuderen naar besturen. Dit is essentieel voor toekomstige fusiereactoren”, aldus eerste auteur Timo Ravensbergen (DIFFER). “We meten, berekenen en sturen razendsnel bij.” Fusie is een veelbelovende bron van duurzame energie. In een fusiereactor wordt een gloeiend heet waterstofplasma zwevend gehouden. Er is echter altijd waterstof dat uit het plasma piept. Om schade aan de wand te voorkomen, moet dit ontsnapte waterstof op weg naar de wand worden afgekoeld.

Koelen kan op meerdere manieren, onder meer door het injecteren van een gas. “Je wilt niet teveel koelen, dan slaat je plasma dood”, zegt co-auteur Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL). Het is dus precies zoeken naar het punt waar de reactor de belasting goed aankan. Matthijs van Berkel (DIFFER): “Het koelen goed kunnen controleren wordt in de roadmap van het Europese kernfusie programma (EUROfusion) expliciet genoemd als noodzakelijke stap richting fusie-energie. Het is geweldig om zo aan die stap bij te dragen.” In Nature Communications beschrijven de wetenschappers hoe je de ontsnapte deeltjesstroom op een snelle en gecontroleerde manier koelt met een innovatief regeltechnieksysteem, dat steeds bijstuurt. Het systeem is getest in de tokamak TCV, een fusiereactor van het Swiss Plasma Center van EPFL.

Niet langer op intuïtie
Waterstof dat aan het hete plasma ontsnapt, wordt via de 'uitlaat' van de reactor afgevoerd. Die uitlaat heet de divertor: het is de plek waar de warmte van het plasma wordt afgevangen. Dit sterke koelen van het plasma in de buurt van de divertor heet in jargon divertor detachment; het zorgt voor een afname van de temperatuur en druk in de buurt van de divertorwand. Fusiefysici hebben hier al veel ervaring met dit proces, maar varen hierin deels op intuïtie en deels op ervaring uit voorgaande metingen. Dat wordt nu anders.

"Wij hebben een gesloten systeem ontwikkeld”, zegt Van Berkel, groepsleider Energy Systems & Control. "We voegen allerlei technieken samen, dat maakt het uniek. Onze systematische aanpak is ook toe te passen in andere fusiereactoren." The experimenten zijn een proof-of-principle. Van Berkel verwacht dat de methode - met aanpassingen – ook gebruikt kan worden in grote fusiereactoren als ITER en DEMO.

Stap voor stap
Voor dit onderzoek gebruikten de onderzoekers het camerasysteem MANTIS op de TCV tokamak.  MANTIS staat voor Multispectral Advanced Narrowband Tokamak Imaging System. Het camerasysteem is bij DIFFER samen met EPFL en MIT ontwikkeld. De onderzoekers pasten het systeem zo aan dat real-time camera beelden worden omgezet naar data, waarmee een computermodel dan de optimale koeling berekent. Dit gebeurt allemaal met uiterste precisie: de toestand van het plasma wordt 800 keer per seconde bepaald.

Een nieuw real-time imaging processing algoritme, ontwikkeld bij DIFFER, analyseert de MANTIS-beelden. Het algoritme bepaalt hoeveel er gekoeld moet worden, en stuurt dan automatisch de gaskleppen aan. Tot slot maakten de onderzoekers een model van het systeem door, weer met de camera, te analyseren hoe het plasma op het inlaten van gas reageert. "Met dit model bepalen we de dynamische relatie tussen het bedienen van de gasklep en de locatie van het warmtefront", zegt Van Berkel.

Snel resultaat op de TCV tokamak
Het systeem is getest op de TCV tokamak. “Het is een relatief kleine en flexibele machine, waar ideeën snel op getest en ontwikkeld kunnen worden”, benadrukt Theiler. Van Berkel is het daar mee eens: “TCV is een fantastische machine om nieuwe regeltechniek uit te proberen, met een hypermodern real-time systeem.” Hij vertelt dat het testen snel ging: "Het lukte ons om binnen slechts vier experimenten tot een gesloten regel-lus te komen, om het plasma aan de rand te controleren. Dit liet zien dat onze systematische aanpak werkt."

Toekomstig onderzoek
Een voorstel voor vervolgonderzoek ligt al klaar. De onderzoekers gebruikten nu één MANTIS-camera, terwijl het systeem er tien aan boord heeft. Die willen zij nu ook gaan gebruiken, om nog nauwkeuriger processen rond de divertor te kunnen sturen. 

Partners
Dit onderzoek is een samenwerking van DIFFER, EPFL, Technische Universiteit Eindhoven, Vrije Universiteit Brussel, MIT, Instituut of Plasma Physics of the CAS, CCFE en het Max Planck Institut für Plasmaphysik.

Publicatie
T. Ravensbergen, M. van Berkel, A. Perek, C. Galperti, B.P. Duval, O. Février, R.J.R. van Kampen, F. Felici, J.T. Lammers, C. Theiler, J. Schoukens, B. Linehan, M. Komm, S. Henderson, D. Brida, M.R. de Baar, The EUROfusion MST1 Team, and the TCV Team. Real-time feedback control of the impurity emission front in tokamak divertor plasmas. Nature Communications, 17 Feb 2021 - DOI 10.1038/s41467-021-21268-3


De TCV Tokamak, waar de experimenten zijn gedaan. Credit A. Herzog / EPFL