R2P2, kaaskroketten en veel geduld
R2P2, kaaskroketten en veel geduld
Kernfusie: een onuitputbare bron van elektriciteit die bovendien geen vervuiling of gevaar met zich meebrengt. Hoeveel problemen zou dat niet oplossen? Het hoeft niet te verbazen dat er voor kernfusie, de zogenoemde heilige graal van de energie, in sciencefiction vaak een rol is weggelegd. Maar ook in de echte wereld bouwt een internationale groep wetenschappers aan de weg naar fusie-energie. Het onderzoek dat hier wordt gepresenteerd is een nieuwe steen op deze lange weg.
Fusie
Omdat kernenergie niet de beste naam heeft, is het belangrijk eerst het onderscheid tussen kernsplitsing (de fysica die aan de basis ligt van de huidige kernreactors) en kernfusie te benadrukken. Net als brandhaard en brandblusser zijn kernsplitsing en kernfusie gelijkaardige woorden met compleet andere betekenis. Doordat de fysica van de twee processen zo verschilt, is er bij een fusiereactor bijvoorbeeld geen sprake van uranium, langdurig radioactief afval of risico’s op nucleaire rampen.
Kernfusie is de energiebron van de zon en het proces valt tot op zekere hoogte te vergelijken met het frituren van kaaskroketten: in het frietvet brokkelt de korst van een kaaskroket soms een beetje af, waardoor de kaasvulling eruit loopt, en als je echt veel pech hebt zorgt dat ervoor dat er twee kroketten aan elkaar gaan plakken. Bij kernfusie zijn net deze mislukkelingen waardevol, omdat zo’n samensmelting op atomaire schaal veel energie vrijgeeft. De kaaskroketten zijn nu atomen, met een atoomkern in plaats van de kaasvulling en elektronen in plaats van de korst. Het is de energie die vrijkomt bij samensmelten van twee atoomkernen (letterlijk kernfusie) die we willen gebruiken om elektriciteit mee op te wekken. Maar net als bij de kaaskroketten, moet de (elektronen)korst eerst loskomen voordat de vulling kan samensmelten, en net als bij de kaaskroketten creëren we die omstandigheden door de atomen op te warmen. Het mengsel van elektronenkorst en kernen dat we dan bekomen heet een plasma.
Reflecto-watte?
Tot zover de kaaskroket analogie, want waar 180°C voldoende is voor ons eten, gebruikt men voor kernfusie temperaturen tot 150 miljoen graden! Omdat bij zo’n temperatuur elk vast materiaal smelt, is het belangrijk ervoor te zorgen dat het hete plasma de rest van de machine niet kan raken en daardoor zou beschadigen. De sciencefiction is niet ver weg, want de enige manier waarop dit kan, is door het plasma in een donutvorm te laten zweven met behulp van gigantische magneten! En zelfs dan moet het plasma de hele tijd in de gaten gehouden worden om ervoor te zorgen dat het niet naar de kant toe zweeft en dan toch de installatie kapotmaakt.
Makkelijker gezegd, dan gedaan: het plasma is een gas dat je met het blote oog of een camera niet kan zien en door de hoge temperatuur kunnen ook veel andere technieken niet gebruikt worden om te weten te komen waar het plasma is. Magnetische inductie en reflectometrie zijn twee technieken die we wel kunnen gebruiken. De meeste mensen kennen deze technologieën beter dan ze denken. Magnetische inductie wordt bijvoorbeeld gebruikt in een metaaldetector en reflectometrie is net hetzelfde als radar: een antenne zendt straling uit en vangt die terug op nadat ze is gereflecteerd op een object, en de tijd die verstreken is tussen zenden en ontvangen vertelt ons hoe ver weg het object zich bevindt. Om de positie van een plasma via reflectometrie te meten kan het plasma zelf als reflecterend object dienst doen, zodat we met behulp van een antenne die straling naar het plasma zendt en van het plasma ontvangt de afstand tot het plasma kunnen berekenen. Deze techniek is nog nooit voor positionering van een fusieplasma gebruikt, maar in deze scriptie wordt een stap in die richting gezet.
R2P2
In het eerste deel van het onderzoek werd de softwarecode R2P2, wat staat voor Ray tracing Reflectometrie voor Plasma Positionering, ontwikkeld. R2P2 simuleert het plasma en de omgeving aan de hand van ray tracing, een techniek die ook voor games en special effects in films gebruikt wordt om realistische lichtinval te verkrijgen. In meer dan 100 000 simulaties werden verschillende antennes en plasmas gesimuleerd om zo kenmerken van een goede antenne te identificeren. Vervolgens werd een optimale antenne ontworpen die deze goede kenmerken combineert.
Om de R2P2 resultaten te verifiëren, werd in het tweede deel van het onderzoek een prototype van zowel de optimale antenne als een niet-geoptimaliseerde antenne gebouwd en werd hun gedrag in experimenten vergeleken in verschillende omgevingen. Zo werden er bijvoorbeeld metingen gedaan met verschillende hoeveelheden metaal in de omgeving van de antennes. De resultaten van de experimenten waren veelbelovend: de geoptimaliseerde antenne had duidelijk betere eigenschappen dan de referentieantenne, maar tegelijk bleek dat de omgeving waarin de antenne wordt gebruikt de eigenschappen sterk kan doen veranderen, waardoor bijvoorbeeld tijdens tests met veel metaal in de omgeving van de antenne de voordelen van de optimale antenne verdwenen. Verder onderzoek is dus nodig om ervoor te zorgen dat de ontworpen antenne ook in dergelijke omgevingen optimaal werkt, zodat de beschreven techniek gebruikt kan worden in een toekomstige fusiereactor.
Dit onderzoek is slechts een kleine bijdrage aan de zoektocht naar de heilige graal van energie. En er is nog veel verder onderzoek dat moet gebeuren om de weg naar kernfusiereactors te voltooien en komende generaties van een enorme hoeveelheid propere energie te voorzien. Onzichtbare, zwevende plasmadonuts zullen dus nog niet voor morgen zijn, maar gelukkig hebben we toch al kaaskroketten!
Bibliografie
[1] E.G. Adelberger et al. Solar fusion cross sections. II. The pp chain and CNO cycles. Rev. Mod. Phys., 83 195 (2011). doi:10.1103/RevModPhys.83.195.
[2] G. Ericsson. Advanced neutron spectroscopy in fusion research. J. Fusion Energ., 38 330-355(2019). doi:10.1007/s10894-019-00213-9.
[3] G. Janeschnitz. An economical viable tokamak fusion reactor based on the ITER experience. Phil. Trans. R. Soc. A., 377 20170433 (2018). doi:10.1098/rsta.2017.0433.
[4] J. Ongena, R. Koch, R. Wolf, and H. Zohm. Magnetic-confinement fusion. Nat. Phys., 12 398-410 (2016). doi:10.1038/nphys3745.
[5] U. Stroth. Plasmaphysik. Vieweg + Teubner Verlag Springer Fachmedien, 2011. ISBN 9783834816153.
[6] D. Reiter. Basic fusion boundary plasma physics: Plasma surface interactions. 10th ITER international school, 2019.
[7] M. Ariola and A. Pironti. Magnetic Control of Tokamak Plasmas. Springer Switzerland, 2016. ISBN 9783319298887.
[8] Ph. Moreau, P. Defrasne, E. Joffrin, F. Saint Laurent, and G. Martin. A magnetic diagnostic on Tore Supra. Rev. Sci. Instrum., 74 4324 (2003). doi:10.1063/1.1606097.
[9] A.E. Costley, T. Sugie, G. Vayakis, and C.I. Walker. Technological challenges of ITER diagnostics. Fusion Eng. Des., 74 109-119 (2005). doi:10.1016/j.fusengdes.2005.08.026.
[10] Y. Wang, F. Wang, S. Ji, and S. Li. A new analog integrator for magnetic diagnostics on EAST. IEEE Trans. Nucl. Sci., 66(7) 1335-1339 (2019). doi:10.1109/TNS.2019.2890851.
[11] P. Valera, A. Silva, and J.H. Belo. Testing of the ITER plasma position reflectometry high-field side in-vessel antenna assembly prototype. Rev. Sci. Instrum., 89 10H102 (2018). doi:10.1063/1.5036743.
[12] C. Laviron, A.J.H. Donné, M.E. Manso, and J. Sanchez. Reflectometry techniques for density profile measurements on fusion plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion, 38 905 (1996). doi:10.1088/0741-3335/38/7/002.
[13] A. Silva et al. Microwave reflectometry diagnostic for density profile and fluctuation measurements on ASDEX Upgrade. Rev. Sci. Instrum., 70 1072 (1998). doi:10.1063/1.1149439.
[14] J. Santos et al. Reflectometry-based plasma position feedback control demonstration at ASDEX Upgrade. Nucl. Fusion, 52 032003 (2012). doi:10.1088/0029-5515/52/3/032003.
[15] F. da Silva, S. Heuraux, E. Ricardo, P. Quental, and J. Ferreira. Assessment of the measurement performance of the in-vessel system of gap 6 of the ITER plasma position reflectometer using a finite-difference time-domain Maxwell full-wave code. Rev. Sci. Instrum., 87 11E727 (2016). doi:10.1063/1.4962356.
[16] J. Santos, F. Nunes, M. Manso, and I. Nunes. Neural network evaluation of reflectometry density profiles for control purposes. Rev. Sci. Instrum., 70 521 (1999). doi:10.1063/1.1149379.
[17] R.B. Morales et al. The reconstruction of hollow areas in density profiles from frequency swept reflectometry. In Proceedings of the 14th Intl. Reflectometry Workshop, (2019).
[18] S. Heuraux. Personal communication, 2020.
[19] P. Valera, J.H. Belo, and P.B. Quental. Performance assessment of the antenna setup for the ITER plasma position reflectometry in-vessel systems. Rev. Sci. Instrum., 87 11E713 (2016). doi:10.1063/1.4961291.
[20] B. Plaum. Simulation of microwave beams with profusion (2019 edition). OPUS - Online Publikationen der Universität Stuttgart, 2019.
[21] B. Plaum. Optimization of broadband smooth-wall circular horn antennas. J. Infrared Millim. Te., 39(10) 984-995 (2018). doi:10.1007/s10762-018-0510-6.
[22] B. Plaum. Optimization of oversized waveguide components. Dissertation. https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/1543/1/diss_plaum.pdf, 2001.
[23] P.F. Goldsmith. Quasioptical Systems. IEEE Press, 1997. ISBN 0780334396.
[24] C.A. Balanis. Antenna Theory: Analysis and Design. Wiley, 2016. ISBN 97811186420601.
[25] W.L. Stutzman and G.A. Thiele. Antenna Theory and Design. Wiley, (2012). ISBN 9780470576649.
[26] P. Valera, J.H. Belo, A. Silva, and F. da Silva. Design status of the in-vessel subsystem of the ITER Plasma Position Reflectometry system. J. Instrum., 14 C09002 (2019). doi:10.1088/1748-0221/14/09/C09002.
[27] F. da Silva, S. Heuraux, and M. Manso. Developments on reflectometry simulations for fusion plasmas: application to ITER position reflectometers. J. Plasma Phys., 72(6) 1205-1208 (2018). doi:10.1017/S0022377806005940.
[28] S. Heuraux. On the difference between phase and amplitude behaviours: dependencies on the radiation pattern and on the turbulence level. In Proceedings on the 12th Intl. Reflectometry Workshop, (2015).
[29] H. Hugon. Study and optimisation of the antennas for the ITER plasma-position reflectometry diagnostics system. Unpublished. https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395146459392/Resumo%20Ala…, (2014).
[30] J. Peddie. Applications of Ray Tracing, pages 91–128. Springer International Publishing, (2019). ISBN 978-3-030-17490-3. doi:10.1007/978-3-030-17490- 3_6.
[31] Z. Yun and M.F. Iskander. Ray tracing for radio propagation modeling: Principles and applications. IEEE Access, 3 1089-1100 (2019). doi:10.1109/ACCESS.2015.2453991.
[32] B. Chaudhury and S. Chaturvedi. Comparison of wave propagation studies in plasmas using three-dimensional finite-difference time-domain and raytracing methods. Phys. Plasmas, 13 123302 (2006). doi:10.1063/1.2397582.
[33] E.R. Tracy, A.J. Brizard, A.S. Richardson, and A.N. Kaufman. Ray Tracing and Beyond. Cabridge University Press, 2014. ISBN 9780521768061.
[34] E.Z. Gusakov, A.V. Surkov, and A.Y. Popov. Multiple scattering effect in Doppler reflectometry. Plasma Phys. Control. Fusion, 47(7) 959 (2005). doi:10.1088/0741-3335/47/7/001.
[35] J.H. Belo, P. Valera, and A. Silva. Benchmarking of the EM modelling of the ITER plasma position reflectometry in-vessel antennas with a metallic target using prototype tests. J. Instrum., 15 C01033 (2020). doi:10.1088/1748- 0221/15/01/C01033.
[36] F. da Silva, S. Heuraux, E.Z. Gusakov, and A. Popov. A numerical study of forward- and backscattering signatures on doppler-reflectometry signals. IEEE Plasma Sci., 38(9) 2144-2149 (2010). doi:10.1109/TPS.2010.2056703.
[37] C. Fanack et al. Ordinary-mode reflectometry: modification of the scattering and cut-off responses due to the shape of localized density fluctuations. Plasma Phys. Control. Fusion, 38 1915 (1996). doi:10.1088/0741- 3335/38/11/004.
[38] R.V. Leslie. Microwave sensors. In Comprehensive Remote Sensing, chapter 1.16, pages 449–450. Elsevier, (2018).
[39] C. Honoré, P. Hennequin, Truc. A., and A. Quéméneur. Quasi-optical gaussian beam tracing to evaluate doppler back-scattering conditions. Nucl. Fusion, 46 S809 (2006). doi:10.1088/0029-5515/46/9/S16.
[40] C. Fanack. Etude analytique et numérique de la réflectométrie dans un plasma fluctuant: modèles à une et deux dimensions. Dissertation, 1997.
[41] B. Plaum. Personal communication, 2020.
[42] E.V. Sysoeva, F. da Silva, E.Z. Gusakov, S. Heuraux, and A.Y. Popov. Electron cyclotron resonance heating beam broadening in the edge turbulent plasma of fusion machines. Nucl. Fusion, 55(3) 033016 (2015). doi:10.1088/0029-5515/55/3/033016.
[43] J. Nietiadia, C. Vidala, R. Luisa, and P. Varela. Thermal analyses of the invessel frontends of the ITER plasma position reflectometry system. Fusion Eng. Des., 156 111599 (2020). doi:j.fusengdes.2020.111599.
