EO

Hittebeheersing in fusiereactoren

17 februari 2021 om 11:11 uur

Links: De gesloten lus van meten, berekenen en beheersen om te voorkomen dat de wand wordt verwoest. Beeld Julia van Leeuwen. Rechts: De TCV-tokamak van het EPFL Swiss Plasma Center. TCV is een middelgrote tokamak, die zich goed leent voor het snel testen van ideeën. Beeld A. Herzog / EPFL.

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.


Het onderzoek verschijnt in Nature Communications.


"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.

 

Gerelateerd nieuws

België telt vier nieuwe Fabrieken van de Toekomst

België telt vier nieuwe Fabrieken van de Toekomst

Cargill (Izegem), Danone (Rotselaar), Delhez Tôlerie (Thimister-Clermont) en L’Oréal (Libramont) zijn de nieuwe Factories of the Future. In zeven jaar is de selecte kopgroep van meest toekomstgerichte…

Imec toont 's werelds eerste Sub-5mW, IEEE 802.15.4z Ultra-Wideband Transmitter Chip

Imec toont 's werelds eerste sub-5mW, IEEE 802.15.4z ultra-wideband transmitter chip

Op de International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) presenteerde imec de eerste IEEE 802.15.4z impulse-radio ultrabreedband (IR-UWB) zenderchip, waarmee een evenwicht werd gevonden tussen UWB's nauwkeurige…

Mayonaise onberekenbaar in turbulente stroming

Mayonaise blijkt nogal onberekenbaar

Als water en olie, in een sterke turbulente stroom, een emulsie vormen, kunnen druppels van water-in-olie ontstaan of juist druppels van olie-in-water. Het omslagpunt tussen die twee fasen is spectaculair, laten…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

1 maart 2021, online

Embedded World + Congatec

Embedded World en Congatec vinden dit jaar online plaats.

4 maart 2021, online

Webinar: Selectie en installatie van Atexkabelwartels: hoe het wel en niet moet

Helaas worden er nog veel fouten gemaakt met de selectie en toepassing van Atex kabelwartels. Hierdoor...

4 maart 2021, online

Webinar: Versnelling van de regionale energietransitie beroepsonderwijs

De eerste in een reeks van 5 webinars over werken aan groen herstel vanuit publiek-private samenwerkingen...

Meer agendapunten »