De kern van een fusiereactor is ongelooflijk heet. Waterstof die er onvermijdelijk uit ontsnapt, moet op weg naar de muur worden gekoeld, als anders, de reactorwand zou worden beschadigd. Onderzoekers van het Nederlandse instituut DIFFER en EPFL's Swiss Plasma Center hebben een strikte meet- en regelmethode ontwikkeld voor het afkoelen van zeer hete deeltjes die ontsnappen uit fusieplasma's.

Fusie-energie is een veelbelovende duurzame energiebron. In een fusiereactor extreem heet waterstofplasma wordt gesuspendeerd gehouden door magnetische velden. Echter, er is altijd een fractie die ontsnapt. Om te voorkomen dat het het reactorvat beschadigt, de ontsnapte waterstof moet op weg naar de muur worden afgekoeld.

Koelen kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld door een gas te injecteren. "Maar als je te veel extra gas injecteert, het plasma wordt te sterk afgekoeld, waardoor de prestaties afnemen, " zegt Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), co-auteur van een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het is daarom noodzakelijk om de koeling constant te beheren tot het punt dat de reactor adequaat kan omgaan. Matthijs van Berkel (DIFFER):"Het nauwkeurig kunnen regelen van de koeling wordt in het Europese fusieprogramma (EUROfusion) expliciet genoemd als een noodzakelijke stap richting fusie-energie. Het is fantastisch dat we daar nu aan kunnen bijdragen." In Natuurcommunicatie , de auteurs beschrijven hoe de ontsnappende deeltjes op een snelle en gecontroleerde manier kunnen worden gekoeld met een innovatief feedbackcontrolesysteem. De experimenten zijn uitgevoerd in de TCV tokamak, een fusie-onderzoeksmachine in het Zwitserse plasmacentrum van de EPFL.

"We gaan van studeren naar controleren. Dit is van vitaal belang voor de toekomst van fusiereactoren, " zegt eerste auteur Timo Ravensbergen (DIFFER). "We meten, berekenen, en controle met ongelooflijke snelheid."

Een gesloten systeem

Ontsnappend waterstof wordt afgevoerd via de 'uitlaat' van de reactor. waar de plasmawarmteverliezen worden opgevangen. Het proces van sterke afkoeling in de buurt van de divertor wordt divertor-onthechting genoemd. Het vermindert de plasmatemperatuur en -druk nabij de muur. Fusiefysici hebben al veel ervaring met dit proces, maar dit is mede gebaseerd op intuïtie en op ervaringen uit eerdere metingen. Nu gaat het anders. "We hebben een gesloten systeem ontwikkeld, zegt Van Berkel, groepsleider Energy Systems &Control. "We hebben veel verschillende technieken gecombineerd, dat maakt het uniek. Onze systems engineering-aanpak is toepasbaar op andere fusiereactoren.” De experimenten zijn een proof-of-principle. Van Berkel denkt dat de methode – met aanpassingen – toepasbaar zal zijn in de grote fusiereactoren ITER en DEMO.

Stap voor stap

De onderzoekers maakten voor dit onderzoek gebruik van het camerasysteem MANTIS van de TCV tokamak. Dit multispectrale geavanceerde smalband Tokamak Imaging System is ontwikkeld door DIFFER, EPFL en MIT. De onderzoekers pasten het systeem zo aan dat camerabeelden werden omgezet in data waaruit een computermodel vervolgens in realtime de optimale koeling kon berekenen onder wisselende omstandigheden. Dit alles gebeurde met grote precisie:de status van het plasma wordt 800 keer per seconde bepaald.

Een nieuw realtime beeldverwerkingsalgoritme, ontwikkeld bij DIFFER, analyseert de MANTIS-beelden. Het algoritme berekent hoeveel je moet koelen, en stuurt vervolgens automatisch de gaskleppen aan. Eindelijk, de onderzoekers maakten een model van het systeem door te analyseren, weer met de camera, hoe het plasma reageert op het ingebrachte gas. "Met dit model we bepalen de dynamische relatie tussen de aansturing van de gasklep en het warmtefront, ’, zegt Van Berkel.

Snel resultaat:getest op EPFL's TCV tokamak

Het systeem is getest op de TCV tokamak. "Het is een zeer flexibel apparaat, waar ideeën vrij snel kunnen worden ontwikkeld en getest, " benadrukt Theiler. Van Berkel beaamt:"TCV is een fantastische machine voor het testen van besturingstechnieken, met een hypermodern real-time controlesysteem." Van Berkel vertelt dat de resultaten snel kwamen:"Binnen slechts vier experimenten, we zijn erin geslaagd om feedbackregeling van het plasma bij de divertor te bereiken. Dit toont aan dat onze systematische aanpak werkt."

Toekomstig onderzoek

Er is al een voorstel voor vervolgonderzoek opgesteld. De onderzoekers maakten gebruik van slechts één MANTIS-camera, terwijl het systeem er tien heeft. De onderzoekers willen de andere camera's ook gebruiken, zodat ze het proces nog nauwkeuriger kunnen sturen, en om aanvullende sleutelprocessen in de omleider te regelen.

Fusie:groot energiepotentieel

Fusie, de kernreactie die de zon aandrijft, heeft een hoog energiepotentieel, veilig en milieuvriendelijk is. Onderzoek op dit gebied wordt gestimuleerd door de internationale reactor ITER. Terwijl de gigantische onderzoeksmachine in Frankrijk wordt geassembleerd, wetenschappers van over de hele wereld werken aan de volgende stappen:het produceren van grootschalige fusiereacties erin. Fusie treedt op wanneer kernen van lichte atomen worden verwarmd tot honderd miljoen graden, vorming van een gas van geladen deeltjes, plasma genaamd.