Magnetronstraling tegen hikkend fusieplasma

Gert Witvoet promoveerde op slimme regelstrategieën voor de zaagtandinstabiliteit, een altijd aanwezige 'hik' in het hete plasma van een kernfusiereactor. Het tempo waarin die hik zich herhaalt is bepalend voor de prestaties van de reactor. Witvoet ontwikkelde met onderzoekers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen een model en regelsysteem om het hikkende plasma te beïnvloeden met microgolven. Hij testte zijn strategieën succesvol met drie Europese fusiereactoren en publiceerde er vijf artikelen over in vooraanstaande vakbladen.

De zaagtandinstabiliteit is een complex samenspel van krachten in het plasma, maar Witvoet is erin geslaagd die fundamentele plasmafysica te vangen in een eenvoudige simulatie. Dat model simuleert het gedrag van de zaagtand. Met een ingenieursbril bracht hij dit gedrag nauwkeurig in kaart. Dat leidde tot inzichten over manieren om de periode van de zaagtand op een slimme manier te regelen. Witvoets analyses laten zien wat de knelpunten zijn bij het regelen van de zaagtandperiode, en hoe geavanceerde regeltechnieken die knelpunten weg kunnen nemen. Zo kan de periode van de zaagtand snel en nauwkeurig worden ingesteld op een gewenste waarde.

Nieuwe aanpak getest - injection locking

Vanuit de dynamische analyses en inzichten is ook een nieuwe aanpak geboren om de zaagtand in het kernfusieplasma in te stellen, het zogenaamde "injection locking". Met gepulste elektromagnetische golven kan het plasma 'gemasseerd' worden zodat de zaagtand in het plasma dezelfde frequentie aanneemt als de golven. Deze methode is een noviteit binnen het onderzoek naar de zaagtandinstabiliteit en is aangetoond op een experimentele tokamak in Zwitserland.

Het promotie-onderzoek van ir. Gert Witvoet, binnen de Control Systems Technology groep, heeft uiteindelijk geleid tot vijf publicaties in vooraanstaande kernfusietijdschriften. De verwachting is dat de inzichten uit het onderzoek ook relevant zijn voor het ontwerp en het bedrijven van ITER. Die geavanceerde experimentele reactor is ontworpen om tien keer méér energie op te wekken uit fusie dan de machine zelf nodig heeft. ITER wordt nu door een wereldwijde samenwerking van wetenschap en industrie gebouwd in het Zuid-Franse Cadarache. In 2020 beginnen de experimenten.

Kernfusie als energiebron

Een groot gedeelte van het kernfusie-onderzoek richt zich op het tokamakontwerp. Zo'n donutvormige reactor verhit de fusie-brandstof tot de atoomkernen gaan fuseren. Daarbij komt energie vrij in de vorm van hitte. Fusie is de energiebron van de zon en sterren en gebruikt op aarde ruim voorradige waterstofisotopen als brandstof. Bij temperaturen van 150 miljoen graden vormen die een plasma en fuseren ze. In het plasma ontstaan ook instabiliteiten. Een belangrijk voorbeeld is de zichzelf repeterende zaagtandinstabiliteit; een soort regelmatige 'hik' van het plasma. De periode van deze zaagtand is bepalend voor de prestaties van de fusiereactor.

Het proefschrift van Witvoet is hier te downloaden.