The cruise control of a nuclear fusion reactor, what is it? And what does it take to make it work properly? It has been the focus of Gijs Derks, PhD student at DIFFER in the research teams of Egbert Westerhof and Matthijs van Berkel, already for two years. Derks is researching models with the aim to make informed choices for control technology in future nuclear fusion reactors.
In a nuclear fusion reactor, the aim is to fuse together nuclei in a controlled way, releasing a lot of energy. This is the process that powers the sun and the process that we want to mimic on earth. To do this, the fusion community builds reactors that trap the fuel and heat it to a temperature of over 150 million degrees Celsius, several times the core temperature of the sun. Facing such temperatures, it is a major challenge to preventing the reactor wall from melting. That challenge requires all kinds of solutions, including in the field of control technology.
Model gives direction
Driving a car on the highway, our goal is to arrive at our destination as quickly and safely as possible. In doing so, we have to take into account the movements around us. We approach a truck and change lanes. In crowded traffic, we slow down a bit and when a car suddenly brakes, we also hit the brake pedal. Finally, we take an exit and arrive at our destination. In all our actions, we use our experience about the behavior of the car and the environment. How fast can we brake? How does the car react when we steer? What kind of distance should I keep? We have a model in mind.
For a nuclear fusion reactor this is also the case. While it produces energy we consider movements, the state of the reactor, and (un)expected events. We base our decision on models. How quickly can we adjust reactor power? Can we deal with a sudden loss in power? For such cases, how do we ensure that the wall does not melt? It all starts with a time-dependent model, because we must understand evolution over time.
Time-dependent interaction
In particular for describing the interaction of the reactor core with the reactor wall, complex numerical models have been developed in the recent decades. However, time-dependence has received little attention. In his articles [PPCF2022, PPCF2024], Derks discusses the development of a simple model (called DIV1D) that describes a time-dependent interaction between the reactor core and wall. The results of more complex models are used in a comparison to show that DIV1D can describe the state of the reactor. This is not obvious because DIV1D approximates the typical 2D solutions (maps) in 1D (a route on the map), an approximation that seems valid as long as DIV1D remains in the vicinity of the 1D solution (route).
In the next two years of Derks' PhD project, the goal is to assess if the time dependence in DIV1D is good enough. In doing so, it is essential to compare with time-dependent data from existing nuclear fusion reactors around the world. With a sufficiently valid model in hand, we can then make insightful choices for our cruise control. We already do this on existing research reactors [FED2024] and want to do the same for the nuclear fusion reactor of the future; one that should produce net energy.
This work was done in collaboration and with many thanks to teams from reactor(s) AUG in Germany, TCV in Switzerland, JET and MAST-U in the UK and DIII-D through ORNL in America. If you have any questions, please contact Gijs Derks at G [368] L [368] Derks [28] differ [368] nl (G[dot]L[dot]Derks[at]differ[dot]nl).
Bouwen aan de cruise-control van een kernfusiereactor
De cruise control van een kernfusiereactor, wat is dat? En wat is ervoor nodig om die goed te laten werken? Het is al twee jaar het aandachtsgebied van Gijs Derks, promovendus bij DIFFER onder Egbert Westerhof en Matthijs van Berkel. Derks doet onderzoek naar modellen die moeten helpen bij het maken van onderbouwde keuzes voor de regeltechniek in toekomstige kernfusiereactoren.
In een kernfusiereactor is het doel om gecontroleerd kernen samen te smelten, waarbij veel energie vrijkomt. Dit is het proces dat de zon van energie voorziet en precies wat we op aarde na willen bootsen. Daarvoor bouwen we reactors die de brandstof opsluiten en verhitten tot een temperatuur van circa 150 miljoen graden, meerdere malen de kerntemperatuur van de zon. Het is een grote uitdaging om zo efficiënt mogelijk energie te produceren en tegelijkertijd te voorkomen dat de wand smelt. Die uitdaging vraagt om allerlei oplossingen, onder andere op het gebied van regeltechniek.
Model geeft richting
Rijdend met een auto op de snelweg hebben we als doel om zo snel en veilig mogelijk op onze bestemming aan te komen. Daarbij moeten we rekening houden met de bewegingen in onze omgeving. We naderen een vrachtwagen en wisselen van rijstrook. Bij drukte nemen we wat gas terug en wanneer een auto plots remt, gaan wij ook op het rempedaal. Uiteindelijk nemen we een afrit en arriveren we op onze bestemming. Bij al onze handelingen gebruiken we onze ervaring over het gedrag van de auto en die omgeving. Hoe snel kunnen we remmen? Hoe reageert de auto als we sturen? Wat voor afstand moet ik bewaren? We hebben een model in ons achterhoofd.
Bij een kernfusiereactor is dat niet anders, we produceren energie en houden rekening met bewegingen en de toestand van de reactor en (on)verwachte gebeurtenissen. We nemen besluiten aan de hand van modellen. Hoe snel kunnen we het reactorvermogen aanpassen? Kunnen we omgaan met een plotseling verlies in vermogen? Hoe zorgen we in deze gevallen dat de wand niet smelt? Het begint allemaal met een tijdsafhankelijk model, want we willen ook beweging over tijd begrijpen.
Tijdsafhankelijke interactie
Specifiek voor het beschrijven van de interactie van de reactorkern met de reactorwand zijn de afgelopen decennia complexe modellen ontwikkeld. Er is alleen weinig rekening gehouden met tijdsafhankelijkheid. In zijn artikelen [PPCF2022, PPCF2024] bespreekt Derks de ontwikkeling van een simpel model (DIV1D genaamd) dat een tijdsafhankelijke interactie tussen de reactorkern en wand beschrijft. De uitkomsten van complexere modellen worden als meetlat gebruikt om te laten zien dat DIV1D de toestand van de reactor kan beschrijven. Dit is niet vanzelfsprekend, want DIV1D benadert de typisch 2D oplossingen (kaarten) in 1D (een route op de kaart) en blijkt geldig zolang we niet te ver van de 1D oplossing (route) afwijken.
In de komende twee jaar van het promotietraject van Derks is het zaak om te laten zien dat de tijdsafhankelijkheid in DIV1D goed genoeg is. Daarbij is het essentieel om te vergelijken met tijdsafhankelijke data van bestaande kernfusiereactoren over de hele wereld. Met een voldoende valide model in de hand kunnen we vervolgens inzichtelijke keuzes maken voor onze cruise-control. Dat doen we al op bestaande onderzoeksreactoren [FED2024] en willen we ook doen voor de kernfusiereactor van de toekomst; eentje die netto energie moet gaan produceren.
Dit werk is verricht in samenwerking en met veel dank aan teams van reactor(s) AUG in Duitsland, TCV in Zwitserland, JET en MAST-U in Groot-Brittannië en DIII-D via ORNL in Amerika. Heb je vragen over het onderzoek, neem dan contact op met Gijs Derks via G [368] L [368] Derks [28] differ [368] nl (G[dot]L[dot]Derks[at]differ[dot]nl).
Go to the News page.