https://www.uantwerpen.be/nl/onderwijs/studiekeuze/infomomenten/infodagen/?utm_campaign=mediacampagne_2018&utm_medium=banner&utm_source=scriptiebank

Examination of plasma current spikes and general analysis of H-mode shots in the tokamak COMPASS

Arne Van Londersele
Examination of Plasma Current Spikes and General Analysis of H-mode Shots in the Tokomak COMPASS.Arne Van Londersele,Ingenieurswetenschappen, Engineering Physics “We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty. The problem is, we don’t know how to make the box.”S. Balibar, Director of Research, CNRSIedereen wenst een duurzame omgang met onze planeet. De term ‘groen’ is zelfs zo populair dat het ondertussen de naam geworden is van een Vlaamse politieke partij.

Examination of plasma current spikes and general analysis of H-mode shots in the tokamak COMPASS

Examination of Plasma Current Spikes and General Analysis of H-mode Shots in the Tokomak COMPASS.

Arne Van Londersele,

Ingenieurswetenschappen, Engineering Physics

 

“We say that we will put the sun into a box. The idea is pretty.

The problem is, we don’t know how to make the box.”

S. Balibar, Director of Research, CNRS

Iedereen wenst een duurzame omgang met onze planeet. De term ‘groen’ is zelfs zo populair dat het ondertussen de naam geworden is van een Vlaamse politieke partij. Een naam die aanslaat, want we willen allemaal dat onze kinderen en de daaropvolgende generaties de kans krijgen om een aangenaam leven te leiden in een gezonde, stabiele omgeving. Een belangrijke rol in dit verhaal is weggelegd voor de manier waarop we onze energie produceren.

De verbranding van fossiele brandstoffen ligt aan de basis van de hoge CO2-uitstoot en de hiermee gepaard gaande opwarming van onze Aarde. Wereldwijd is nog steeds meer dan 80% van onze energie afkomstig van deze goedkope smurie. Bovendien ziet het er niet naar uit dat hier verbetering zal in komen: schaliegas is de nieuwste hype op de energiemarkt en als binnenkort ook nog eens Undergroud Coal Gasification (UCG) toegelaten zal worden, dan kunnen we nog minstens duizend jaar verder met fosiele brandstoffen.  

Wat is het alternatief? Milieubewuster handelen wat inhoudt dat zal moeten gekozen worden voor kostelijkere manieren om onze energie te produceren. In deze masterthesis wordt allereerst uitgewijd over de verschillende technologieën die vandaag bestaan en wat verwacht wordt in de nabije toekomst: Carbon Capture and Storage (CCS), thorium reactors, nieuwe generaties zonnepanelen, zwevende windturbines, golf- en getijde-energie, zoutgradiëntenergie, smart grids, waterstofvoertuigen,... Zij zullen moeten helpen bij de overgang naar een groenere wereld.

Momenteel lijkt het haast onmogelijk om verder te leven zonder fossiele brandstoffen. De nucleaire sector lijdt aan grote imagoschade door onder andere de recente kernramp in Fukushima. Hernieuwbare energie zou op praktisch onuitvoerbaar grote schaal moeten toegepast worden om een degelijke bijdrage te kunnen leveren. Eén ding staat vast: er zullen opofferingen moeten gedaan worden en er zal innovatie nodig zijn. Onze mogelijkheden om energie te creëren zijn beperkt daar we gebonden zijn aan de wetten van de fysica. Het is in dit opzicht van het grootste belang dat we de weinige mogelijkheden dan ook grondig overwegen en uittesten. Een voorbeeld hiervan is kernfusie, de manier waarop sterren zoals onze zon hun energie maken.

Huidige kerncentrales splitsen zware atoomkernen (U-235) waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen. Bij kernfusie gebeurt net het omgekeerde: hier tracht men lichte kernen samen te smelten. Kernrampen zijn hierbij uitgesloten aangezien fusiereactoren werken volgens een compleet verschillend mechanisme. De techniek met de meeste toekomstperspectieven maakt gebruik van wat men een tokamak noemt. Dit is een donutvormig toestel omringd door grote magneten. Theoretische berekeningen hebben immers aangetoond dat enorm hoge temperaturen nodig zijn om fusiereacties te kunnen laten doorgaan, in de orde van 100 miljoen °C. Omdat geen enkel materiaal bestand is tegen dergelijke temperaturen kan men bijvoorbeeld de fusiebrandstof omvormen tot een plasma van geladen deeltjes en  opsluiten in magnetische velden.

In België staat tegenwoordig geen tokamak meer. Voor mijn masterthesis ben ik afgereisd naar het Institute of Plasma Physics in Praag onder het mom van een Erasmus uitwisselingsproject en heb ik daar mijn onderzoek verricht op de tokamak COMPASS. Mijn thesis heeft een zeer uitgebreide inleiding van een zestigtal paginas waarin het kernfusieonderzoek in het algemeen wordt uitgelegd alsook de tokamak COMPASS met al zijn infrastructuur. Dit is geschreven in begrijpbare taal voor iemand die geen wetenschapsknobbel is. Een aanrader dus voor wie geïnteresseerd is in het energiegebeuren en meer in het bijzonder in kernfusie. De rest van mijn thesis bevat analystisch resultaten.

Het kernfusieonderzoek is vandaag gericht op ITER. Dit is een enorm geavanceerde tokamak die momenteel gebouwd wordt in Cadarache, een dorpje in Zuid-Frankrijk. Het is een miljarden-project waar het merendeel van de industrielanden aan meewerkt. ITER zou "de weg" moeten zijn naar een nieuwe bron van energie. De constructiedeadline is voorzien in 2020 en de eerste succesvolle experimenten worden verwacht in 2027. ITER zou het eerste fusietoestel moeten zijn dat meer energie creëert dan nodig is om het te laten draaien. Men is momenteel ook al bezig met het ontwerp van een demonstratie- kernfusiecentrale die gebouwd zal worden in 2040 als ITER slaagt. De eerste commerciële kernfusiecentrales worden verwacht in 2050-2060.   

Het geloof in kernfusie is wankel. Vijftig jaar geleden beweerde men hetzelfde als nu, namelijk dat commerciële kernfusiecentrales er binnen vijftig jaar zullen zijn. Zoals de uitspraak van S. Balibar laat uitschijnen is het een bijzonder complexe opgave om de juiste omstandigheden te creëren waaronder fusiereacties kunnen doorgaan. Eens helemaal op punt zou kernfusie echter heel wat voordelen hebben. De feitelijke brandstof bestaat uit deuterium en lithium, twee stoffen die kunnen geëxtraheerd worden uit oceaanwater. De voorraad fusiebrandstof is dus onuitputbaar in menselijke tijdschaal en is bovendien mooi geografisch verdeeld - er is geen aanleiding tot "olieoorlogen". Kernfusie produceert geen CO2 of andere schadelijke gassen. Radioactief afval is onvermijdbaar, maar het is van totaal andere aard dan bij splijtingsreacties. Het is voornamelijk afkomstig van de materialen waaruit de reactor zelf is opgebouwd, en niet van wat erin zit. Een goede materiaalkeuze zorgt ervoor dat de radiotoxiciteit na ongeveer 50-100 jaar lager is dan die van steenkoolas. Verder zou een kernfusiecentrale meteen enorm hoge baseloadvermogens kunnen genereren van de orde gigawatt, iets wat bijvoorbeeld onmogelijk is met hernieuwbare energie.  

Kernfusie biedt dus heel wat voordelen, maar deze vergen een hoge prijs... geduld. In een tijd waarin nú moet gehandeld worden om de prangende klimaatsverandering tegen te gaan, wordt kernfusie daarom wel eens opzijgeschoven. Wie tegenwoordig op Groen! stemt, stemt tegen kernfusie. Denk in het vervolg dus twee keer na als je "groen" wil stemmen. 

Bibliografie

Referenties zijn achteraan in Main.pdf te vinden. 

Indien u dat wenst, kan ik u de BibTex-file bezorgen. 

Copy-paste:

[1] \World Energy Outlook 2013 - Executive Summary". IAE - http://www.iea.org/Textbase/npsum/WEO2013SUM.pdf.[2] \Energy Vision 2013 - Energy Transitions: Past and Future". World EconomicForum - http://www3.weforum.org/docs/WEF_EN_EnergyVision_Report_2013.pdf.[3] \BP Statistical Review of World Energy - June 2013". BP - http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/statistical-review/statistical_rev…] http://www.worldbank.org/.[5] \World Energy Resources". World Energy Council - http://www.worldenergy.org/wp-content/uploads/2013/09/Complete_WER_2013…, 2013.[6] W. Zittel et al. \Fossil and Nuclear Fuels - the Supply Outlook". Energy Watch Group/Ludwig-Boelkow-Foundation/Reiner-Lemoine-Foundation, March 2013.[7] J. Ongena and G. Van Oost. \Energy for Future Centuries. Will Fusion be an Inexhaustible,Safe and Clean Energy Source?". Transactions of Fusion Technology, Vol.61,2T, p.3, January 2001.[8] F. Pearce. \tot het laatste kooltje", New Scientist (Nederlandstalige editie), p.44-51,June 2014.[9] R. Zielinski et al. \Radioactive Elements in Coal and Fly Ash: Abundance, Forms,and Environmental Signicance". U.S. Geological Survey Fact Sheet FS-163-97, October1997.[10] http://courses.engr.illinois.edu/npre201/coursematerial/nuclear_physics…] F. Vanmassenhove and G. Maenhout. \Theorie van de kernreactor. Deel 1: het puntmodel.",Syllabus (Ghent University), 2008.[12] C. Rubbia. \Sub-critical Thorium reactors", Conference for Sustainable Energy Systems2050, Stockholm, September 2013.[13] \Australian Energy Resource Assessment 2013". Chapter 10: \Solar Energy". http://arena.gov.au/files/2013/08/Chapter-10-Solar-Energy.pdf.132BIBLIO… 133[14] \World Record Solar Cell with 44.7% Eciency". http://www.ise.fraunhofer.de/en/press-and-media/press-releases/pressein…, September 2013.[15] J. Wang et al. \Low-Temperature Processed Electron Collection Layers ofGraphene/TiO2 Nanocomposites in Thin Film Perovskite Solar Cells", Nano Letters,Vol.14, No.2, p.724-730, 2014.[16] \Renewable energy technologies: cost analysis series. Solar Photovoltaics.", IRENAworking paper, June 2012.[17] A. Martin. \Eolien : lavenir se joue en altitude", Winning article of the Shape yourFuture in Energy contest of Sia Partners and Elia 2014.[18] http://www.google.com/makani/.[19] http://www.altaerosenergies.com/.[20] D. Jennejohn et al. \Geothermal: International Market Overview". http://geo-energy.org/pdf/reports/2012-GEA_International_Overview.pdf,M… 2012.[21] S. Mehrangiz et al. \Various Technologies for Producing Energy from Wave: A Review",International Journal of Smart Grid and Clean Energy, Vol.2, No.2, May 2013.[22] \Australian Energy Resource Assessment 2013". Chapter 11: \Ocean Energy". http://arena.gov.au/files/2013/08/Chapter-11-Ocean-Energy.pdf.[23] http://www.dongenergy.com/en/business%20activities/generation/activitie…] Y. Zhao et al. \Iodine doped carbon nanotube cables exceeding specic electrical conductivityof metals", Nature, Scientic Reports, Vol.1, No.83, September 2011.[25] \Fuel Cell and Hydrogen technologies in Europe". New-IG. http://www.fch-ju.eu/, 2011.[26] D. Greene. \Status and Prospects of the Global Automotive Fuel Cell Industry andPlans for Deployment of Fuel Cell Vehicles and Hydrogen Refueling Infrastructure",Oak Ridge National Laboratory, July 2013.[27] National Physical Laboratory. Kaye & Laby. Tables of Physical & Chemical Constants- http://www.kayelaby.npl.co.uk/atomic_and_nuclear_physics/4_7/4_7_4.html…] O. Van Hoey. \Visible light measurements on the COMPASS tokamak". Master thesis(Gent University), 2010.[29] J. Wesson. \Tokamaks", Oxford Science Publications, 4th edition, 2011.[30] S Azetni and J. Meyer-ter Vehn. \The Physics of Inertial Fusion: Beam-Plasma Interaction,Hydrodynamics, Hot Dense Matter", April 2004.134 BIBLIOGRAPHY[31] G. Van Oost. \High Temperature Plasma Physics", Syllabus (Ghent University), 2012.[32] O. A. Hurricane et al. \Fuel Gain Exceeding Unity in an Inertially Conned FusionImplosion", Nature, Vol.506, p.343-348, February 2014.[33] Ocial website of NIF - https://lasers.llnl.gov/media/photo-gallery.[34] M. Groth. \Tokamaks and Tokamak Physics - Part A", Presentation for the courseFusion Energy Technology, Aalto University, 2013.[35] CEA website - http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/histoire/site_historique…] http://www.tokamak.info/.[37] K. Ikeda. \ITER on the road to fusion energy", IOP Publishing. Nuclear Fusion, Vol.50,December 2009.[38] Ocial website of ITER - www.iter.org.[39] F. Wagner. \The Physics Basis of ITER Connement", AIP Conference Proceedings,Vol.1095, p.31-53, February 2009.[40] Ocial website of IPP ASCR - http://www.ipp.cas.cz/Tokamak/index?m=comp.[41] EURATOM-OAW website - http://www.oeaw.ac.at/euratom/international_e.html.[42] T. Vey. \Iter : un reacteur de fusion plein d'avenir". http://www.lefigaro.fr/,September 2013.[43] http://fire.pppl.gov/.[44] G. Van Oost. \Lectures on some Aspects of Fusion Technology". Presentation for thecourse `Plasma and Fusion Technology' at Ghent University, 2013.[45] Belgian ITER site - http://iter.rma.ac.be/en/sustain/Environment/index.php.[46] J. Stockel, oral or by email explanation.[47] Ocial website of IPP ASCR - http://www.ipp.cas.cz/Tokamak/euratom/index.php/en/compass-diagnostics…] T. Van Laer. \Probe Measurements on the COMPASS Tokamak". Master thesis (XIOSHogeschool Limburg), 2012.[49] R. Panek. \Characterization of H-mode in the COMPASS tokamak". ITPA Meeting,Prague, April 2014.[50] A. Kirschner. \Plasma-Wall Interaction in Fusion Experiments", Guest Lecture for thecourse `Plasma and Fusion Technology' at Ghent University, April 2013.BIBLIOGRAPHY 135[51] R. Panek et al. \Characterization of Ohmic and NBI heated H-mode in the COMPASStokamak". 40th EPS Conference on Plasma Physics, p.4.103, 2013.[52] J. Havlicek et al. \Status of Magnetic Diagnostics on COMPASS", WDS'10 Proceedingsof Contributed Papers, Part 2, p.1217, 2010.[53] J. Zajac et al. \Power supply system for the COMPASS tokamak re-installed at theIPP, Prague". Proceeding of the 25th Symposium on Fusion Technology, Elsevier. FusionEngineering and Design, Vol.84, p.2020-2024, June 2009.[54] J. Stockel. \Plasma connement in tokamaks", European Summer School in PlasmaPhysics, Prague, August 2009.[55] J. Stockel et al. \Additional plama heating in tokamaks by the neutral beam injection".Kudowa School, Presentation, June, 2012.[56] F. Marguet. \Additional plasma heating by neutral beam heating on COMPASS". Masterthesis (Erasmus Mundus in Nuclear Fusion), 2013.[57] R. Panek et al. \Reinstallation of the COMPASS-D Tokamak in IPP ASCR", CzechoslovakJournal of Physics, Vol.56, 2006.[58] T. Odstrcil. \Study of visible plasma radiation by high resolution spectroscopy at additionalplasma heating by neutral beams injection on the COMPASS tokamak", Masterthesis (Czech Technical University), 2012.[59] J. Havlicek and I. Duran. \Magnetic diagnostics - Introduction". SUMTRAIC 2010,Presentation, August 2010.[60] J. Havlicek, oral or by email explanation.[61] COMPASS' own wiki.[62] J. Zajac, oral or by email explanation.[63] P. Bohm et al. \Laser system for high resolution Thomson scattering diagnostics on theCOMPASS tokamak", Review of Scientic Instruments, Vol.81, October 2010.[64] D.I. Naydenkova et al. \Progress in Multi channel Optical System for Visible PlasmaRadiation Measurement at COMPASS Tokamak", WDS'10 Proceedings of ContributedPapers, Part II, p.1821, 2010.[65] D. Naydenkoval et al. \The Multichannel System for Visible Plasma Radiation Measurementsin the COMPASS Tokamak", 3rd EFDA Transport Topical Group Meeting,Cordoba, September 2010.[66] M. Berta et al. \Concept of an Atomic Beam Probe diagnostic on COMPASS tokamak".36th EPS Conference on Plasma Physics.[67] R. Schneider. \Plasma edge physics for tokamaks", 2001.[68] B. Crowley et al. \Electron Energy Distribution Function Measurements by LangmuirProbe in ITER like Negative Ion Sources", AIP Conference Proceedings, Vol.925, p.193-207, 2007.136 BIBLIOGRAPHY[69] M. Dimitrova et al. \Plasma Parameters in the COMPASS Divertor During OhmicPlasmas", Contributions to Plasma Physics, Vol.54, No.3, p.255-260, 2007.[70] J. Adamek. \Ball-pen probe". Plasma Physics in Science and Technology, EuropeanSummer School, Presentation. http://ppst-2009.physik.uni-greifswald.de/AdamekBPP.pdf, 2009.[71] J. Adamek et al. \Fast ion temperature measurements using ball-pen probes in the SOLof ASDEX Upgrade during L-mode". 38th EPS Conference on Plasma Physics, p.1.059,2011.[72] F. Janky et al. \Determination of the plasma position for its real-time control in theCOMPASS tokamak". Proceedings of the 26th Symposium of Fusion Technology, Elsevier.Fusion Engineering and Design, Vol.86, p.1120-1124, October 2011.[73] A.Wootton. \Magnetic Fields and Magnetic Diagnostics for Tokamak Plasmas", p.45-50,2008.[74] F. Valcarcel et al. \The COMPASS Tokamak Plasma Control Software Performance",IEEE. Real Time Conference, May 2010.[75] J. Stockel. \Plasma start-up in tokamaks ", Winter School, Marianska, January 2010.[76] P. Snyder et al. \Edge localized modes and the pedestal: A model based on coupledpeelingballooning modes", Physics of Plasmas, Vol.9, No.5, May 2002.[77] CEA website - http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/fusion/physique/modesconfinement…] J. Mlynar. \Focus on: JET". ref: EFD-R(07)01, 2007.[79] D.N. Hill. \A Review of ELMs in Divertor Tokamaks", 12th International Conferenceon Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices, 1996.[80] D.G. Whyte et al. \I-Mode: An H-Mode Energy Connement Regime with L-ModeParticle Transport in Alcator C-Mod.", IOP Publishing. Nuclear Fusion, Vol.50, No.10,August 2010.[81] P. B. Snyder et al. \Edge localized modes and the pedestal: A model based on coupledpeeling-ballooning modes", Physics of Plasmas, Vol.9, No.5, May 2002.[82] S. Putvinski. \Runaway Electrons in Tokamaks and Their Mitigation in ITER", IAEATCM on Energetic Particles, Austin, September 2011.[83] M. Imrisek et al. \Observation of Sawtooth Oscillations in the COMPASS Tokamak",WDS'13 Proceedings of Contributed Papers, part 2, p.67-72, 2013.[84] E. Stefanikova, oral or by email explanation.[85] http://fusenet.eu/node/342.[86] http://wiki.fusenet.eu/wiki/Scaling_law.BIBLIOGRAPHY 137[87] T. S. Daugbjerg, S. Chaidez, and A. Gogoleva. \Global Energy Balance for OhmicPlasmas", EMTRAIC 2013.[88] Y.R. Martin et al. \Power requirement for accessing the H-mode in ITER", Journal ofPhysics: Conference Series, Vol.123, 2008.[89] F. Hofmann et al. \Eects of ELMs on the Measurement of Vertical Plasma Position inTCV and JET", IOP Publishing. Nuclear Fusion, Vol.42, January 2002.[90] J. Stockel and COMPASS team. \h-mode studies on the COMPASS tokamak". IAEATechnical Meeting on RUSFD, San Jose, Costa Rica, January 2014.[91] E. R. Solano et al. \Current loss and strike point movement during ELMs in JET", 30thEPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, ECA Vol.27A, p.1.106, July2003.[92] E.R. Solano et al. \ELMs and strike point movements", IOP Publishing. Nuclear Fusion,Vol.48, No.6, April 2008.[93] A. Ejiriy, K. Shinoharaz, and K. Kawahatay. \An algorithm to remove fringe jumpsand its application to microwave reectometry", Plasma Physics and Controlled Fusion,Vol.39, p.1963-1980, 1997.

Universiteit of Hogeschool
Burgerlijk Ingenieur - Engineering Physics
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden