Cooling the exhaust of a fusion reactor involves many physical reactions. A computer model helps, but how do you make a model of something so complex? Jesse Koenders, PhD candidate at DIFFER, conducted experiments on the TCV research tokamak at the Swiss Plasma Centre in Lausanne. These measurements provide a basis for similar research that could result in a model for energy-generating nuclear fusion reactors. In this article, Koenders gives an insight into the thesis he will defend at TU/e on Tuesday 18 June.
The ongoing energy transition makes large-scale use of renewable energy sources such as solar panels and wind turbines, in combination with storage methods to balance supply and demand. However, it is not yet clear whether this will be sufficient, and it does not provide a solution for the industrial high-temperature heat demand. Nuclear fusion has a high potential to fulfill this role as a continuously available energy and heat source. A tokamak nuclear fusion reactor is an inherently safe machine, and can therefore be placed in the middle of an industrial area.
However, before the tokamak can be built and used, a number of technological challenges of this reactor still have to be overcome. One of these is to remove the extreme heat in a tokamak, specifically protecting the inside of the reactor from the fusion plasma of around 175 million degrees (6 times hotter than the center of the sun). This excess heat must be removed through the reactor's exhaust, and can be compared to a SpaceX rocket engine that is continuously blowing into a wall. Without intervention, the reactor wall is completely disintegrated in no time.
Research results
This research is about cooling this excess heat in a tokamak's exhaust, so that the reactor wall is protected. This cooling is done by injecting cooling gas, the interaction with the plasma in the exhaust removes energy through radiation and acts as a braking cushion. One of the important questions is how much cooling gas is needed, and specifically how to ensure that there is not too much cooling. After all, we don't want the reactor plasma to cool down too much, otherwise the energy-generating fusion reactions will stop. To do this cooling in a controlled manner, a control algorithm is needed. A computer calculation that measures the exhaust plasma and then determines how much more or less cooling gas is needed.
The only way this computer algorithm can do this is if it has a good approximation of the result of injecting more or less coolant. A computer model, or combination of mathematical equations, is therefore needed that properly describes how the exhaust plasma responds to variations in cooling gas. However, there are so many physical reactions that take place that lead to this cooling, that modeling this becomes extremely complex. Contemporary models that try to take into account all processes are too complex and slow to use for designing a control algorithm.
Instead, in this study a series of experiments were performed on the TCV research tokamak at the Swiss Plasma Center. Here we varied the cooling gas and directly measured the reaction of the exhaust plasma. The data has been used to create a simple model that can be used to design the control algorithm. The algorithm has been successfully applied in an experiment on the TCV research tokamak, and was able to continuously determine whether more or less cooling gas is needed, and successfully achieved and maintained a preset desired amount of cooling of the exhaust plasma. This model, and the experimental results, provide a starting point to conduct similar studies on other research tokamaks. The aim is to gather enough data to extrapolate to a similarly and fast model that describes the cooling of the exhaust plasma in an energy-generating nuclear fusion reactor.
Graduation
During my graduation at DIFFER, I got introduced to the investigation of control algorithms that are responsible for cooling a tokamak exhaust. I found this very interesting, and that's why I wanted to continue with this research. Differ was looking for a successor to the person who was doing this research as a PhD during my master's, and that seemed like a great opportunity. I did note that I wanted to do experiments, and not just work on theory. Well, that wish definitely came true, my PhD consists almost exclusively of experimental research, and by now I have been involved in experiments that investigate the heat exhaust problem on a whole series of research tokamaks. It was a very nice time in which our research group continued to grow with new talent, the four years have flown by.
Koenders is part of the Energy Systems and Control research group at DIFFER. In 2022, Koenders won the award for the best article in the journal of the Dutch Vacuum Association (NEVAC). Read more about his study and work experience on LinkedIn.
Authors: Jesse Koenders, Rianne van Hoek
Het beschermen van de wand van een fusiereactor: Data-gedreven modellen voor het regelen van de hitte-uitlaat in Tokamak à Configuration Variable (TCV)
Bij het koelen van de uitlaat van een fusiereactor komen veel natuurkundige reacties kijken. Een computermodel helpt daarbij, maar hoe maak je een model van iets dat zo complex is? Jesse Koenders, PhD-kandidaat bij DIFFER, deed experimenten op de TCV onderzoekstokamak van het Swiss Plasma Center in Lausanne. Deze metingen vormen een basis voor vergelijkbaar onderzoek dat kan resulteren in een model voor energieopwekkende kernfusiereactoren. In dit artikel geeft Koenders een inkijkje in het onderzoek waar hij op dinsdag 18 juni aan de TU/e op promoveert.
Tijdens de huidige energietransitie wordt grootschalig ingezet op hernieuwbare energie, zoals zonnepanelen en windmolens, met bijbehorende opslag methoden om vraag en aanbod te balanceren. Echter, het is nog niet duidelijk of dit voldoende gaat zijn, en het biedt geen soelaas voor de grote warmtevraag door de industrie. Kernfusie heeft veel potentie om een rol te vervullen als continu beschikbare energie- én warmtebron. Een tokamak kernfusiereactor is een inherent veilige machine, en kan dus middenin een industriegebied worden geplaatst.
Alleen, voordat de tokamak kan worden gebouwd en gebruikt, moeten er nog een aantal technologische uitdagingen van deze reactor worden overkomen. Één daarvan is het afvoeren van de extreme hitte in een tokamak, specifiek het beschermen van de binnenkant van de reactor tegen het fusieplasma van rond de 175 miljoen graden (6 maal heter dan het centrum van de zon). Deze overtollige hitte moet worden afgevoerd via de uitlaat van de reactor, en kan worden vergeleken met een SpaceX raketmotor die continu tegen de wand aan het blazen is. Zonder ingrijpen is de reactorwand in een mum van tijd volledig gedesintegreerd.
Onderzoeksresultaten
Dit onderzoek gaat over het afkoelen van deze overtollige hitte in de uitlaat van een tokamak, zodat de reactorwand beschermd wordt. Dit koelen gebeurt door het injecteren van koelgas, de interactie met het plasma in de uitlaat neemt energie weg door straling en werkt als een afremmend kussen. Nu is een van de belangrijke vragen hoeveel koelgas er nodig is, en specifiek hoe er voor te zorgen dat er niet te veel gekoeld wordt. We willen tenslotte niet dat het reactorplasma te ver afkoelt dan stoppen namelijk de energie opwekkende fusiereacties. Om dit koelen op een gecontroleerde manier te doen, is er een regel-algoritme nodig; een computerberekening die het uitlaatplasma meet, en vervolgens bepaalt hoeveel meer of minder koelgas er nodig is.
Een computeralgoritme kan dit alleen doen als het de beschikking heeft tot een goede benadering van het resultaat van het meer of minder injecteren van koelgas. Er is dus een computermodel, of combinatie van wiskundige vergelijkingen nodig dat goed beschrijft hoe het uitlaatplasma reageert op variatie in koelgas. Er zijn alleen zo veel natuurkundige reacties die plaatsvinden die leiden tot de koeling, dat een model hiervan maken enorm complex wordt. Hedendaagse modellen die dit alles proberen te beschrijven zijn te complex en traag om te gebruiken voor het ontwerpen van het regelalgoritme.
In plaats daarvan is in dit onderzoek een reeks aan experimenten gedaan op de TCV onderzoekstokamak van het Swiss Plasma Center. Hier hebben we het koelgas gevarieerd en direct gemeten wat de reactie is van het uitlaatplasma. De data is gebruikt om zo een simpel model te maken dat gebruikt kan worden voor het ontwerpen van het regelalgoritme. Het algoritme is succesvol toegepast in de TCV onderzoekstokamak, en kon tijdens een experiment continu bepalen of er meer of minder koelgas nodig was om op een gevraagde hoeveelheid koeling van het uitlaatplasma uit te komen. Dit model, en de experimentele resultaten, bieden een startpunt om een gelijkwaardig onderzoek te doen op andere onderzoekstokamaks, met als doel het vinden van genoeg verbanden om een vergelijkbaar eenvoudig en snel model te maken voor het koelen van het uitlaatplasma in een energieopwekkende kernfusiereactor.
Promoveren
Tijdens mijn afstuderen bij DIFFER ben ik in aanraking gekomen met het onderzoeken van regelalgoritmes die verantwoordelijk zijn voor koelen van een tokamakuitlaat. Dit vond ik heel interessant, en daarom ben ik doorgegaan op dit onderzoek. Er was een opvolger nodig van degene die tijdens mijn master zijn promotie deed op dit onderwerp, en dat leek me wel wat. Ik stelde wel de voorwaarde dat ik graag experimenten wilde doen, en niet enkel bezig wilde zijn met theorie. Dat heb ik geweten, mijn promotietraject bestaat bijna uitsluitend uit experimenteel onderzoek, en ondertussen ben ik op een hele reeks onderzoeks-tokamaks betrokken geweest bij experimenten die het hitte-uitlaatprobleem onderzoeken. Het was een hele leuke tijd waarin onze onderzoeksgroep steeds verder uitgroeide met nieuw talent. De vier jaren zijn voorbij gevlogen!
Koenders maakt bij DIFFER deel uit van de onderzoeksgroep Energy Systems and Control. In 2022 won Koenders de prijs voor het beste artikel in het vakblad van de Nederlandse Vacuümvereniging (NEVAC). Lees meer over zijn studie- en werkervaring op LinkedIn.
Auteurs: Jesse Koenders, Rianne van Hoek
Go to the News page.