Regelstrategieën voor de zaagtandinstabiliteit.

Een groot gedeelte van het kernfusie-onderzoek richt zich op de doughnutvormige tokamakreactor. Hierin worden waterstofisotopen verhit tot temperaturen van 150 miljoen graden, zodat ze kunnen fuseren. Bij zulke hoge temperaturen bevindt alle materie zich in een volledig geioniseerde toestand, en spreekt men van een plasma.

In het plasma ontstaan ook instabiliteiten. Een belangrijk voorbeeld is de zichzelf repeterende zaagtandinstabiliteit een soort bijna regelmatige ‘hik’ waarin het plasma al haar kernparameters aanpast. De periode van deze zaagtand is mede bepalend voor de prestaties van de fusiereactor.

De zaagtandinstabiliteit is een complex samenspel van allerhande transportprocessen in het plasma. In Fig.1. (courtesey Center for Extended MHD Modeling, CEMM, USA) ziet u de resultaten van een 3D multi-grid analyse van de zaagtand.

Oppervlakken van constante druk en flux in blauw, groen en rood. Neem er nota van dat het rode oppervlak ‘gekinkt’ is, het kenmerk van deze instabiliteit.

In nauwe samenwerking met het FOM instituut Differ te Nieuwegein is OiO Gert Witvoet er juist in geslaagd die fundamentele plasmafysica te vervangen door een eenvoudige simulatie van 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. Gerts 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.

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 gemanipuleerd worden zodat de zaagtand in het plasma in de pas gaat lopen met de beat van de aangeboden golven. Deze methode is een noviteit binnen het onderzoek naar de zaagtandinstabiliteit en is aangetoond op een experimentele tokamak in Zwitserland. Over injection locking volgt later meer.

Het promotie-onderzoek van Gert vond plaats bij de Control Systems Technology groep van de TU/e en heeft 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.

Het proefschrift van Gert, met daarin de 5 artikelen is hier te downloaden.