Disruption prediction at the JET tokamak using the geometry of wavelet distributions

Detectie van instabiliteiten in nucleaire fusieplasmas

Nucleaire fusie is een fysisch proces waarbij atoomkernen versmelten en waarbij een grote hoeveelheid energie vrijkomt. Het beste voorbeeld van ongecontroleerde nucleaire fusie is de zon. De energie die door de zon, op 150 miljoen kilometer van ons, geproduceerd wordt is de motor van het leven op aarde. Wetenschappers willen op een gecontroleerde manier gebruik maken van dit verschijnsel om energie te produceren. Nucleaire fusie biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventionele energiebronnen: de hoeveelheid energie die vrijkomt is enorm groot (groter dan deze in de huidige kerncentrales), de grondstoffen zijn in overvloed beschikbaar op aarde en nucleaire fusie is inherent veilig en milieuvriendelijk. De eindproducten zijn niet radioactief. Het omhulsel van de reactor wordt radioactief na verloop van tijd, maar de radioactiviteit daalt veel sneller dan het geval is voor het kernafval van de huidige kerncentrales.

De vooruitgang in het domein van nucleaire fusie is de laatste decennia opmerkelijk te noemen. De belangrijkste doorbraak was de uitvinding van de tokamak, een reactor in de vorm van een donut waarin een heet plasma onder controle wordt gehouden door magnetische velden. Verschillende tokamaks zijn momenteel in werking en elke dag wordt nieuwe kennis opgedaan over de mogelijkheden die fusie biedt. De volgende stap is het bouwen van grotere machines die economisch rendabel zijn. Er wordt bovendien veel aandacht besteed aan de ontwikkeling van materialen die de extreme condities in een tokamak kunnen weerstaan. Er wordt momenteel een nieuwe tokamak gebouwd in Zuid-Frankrijk, genaamd ITER, die groot genoeg zal zijn om verschillende keren meer energie te produceren dan de energie die nodig is om ze aan te drijven.

In onze studie lag de focus op de automatische herkenning van plasmadisrupties, instabiliteiten die in tokamaks optreden. Die instabiliteiten induceren grote krachten op het raamwerk van een tokamak. Ze moeten daarom kost wat kost vermeden worden in toekomstige tokamaks, waar de krachten verschillende malen groter zullen zijn dan deze waarmee we tot nu toe te maken kregen. De eerste stap om een plasmadisruptie actief te vermijden is het herkennen van haar ontwikkeling. Zo kunnen wetenschappers ingrijpen alvorens het plasma instabiel wordt. Het mechanisme dat plasmadisrupties veroorzaakt is echter uiterst complex. Bovendien wordt enorm veel data verzameld tijdens de werking van de machine, waardoor het heel moeilijk is om de signalen te herkennen die duiden op de komst van een plasmadisruptie. Omwille van die redenen wordt gebruik gemaakt van patroonherkenningstechnieken. Dit soort technieken kan gebruikt worden om patronen te herkennen in data van om het even welke oorsprong. Een goed voorbeeld is het automatisch aflezen van een nummerplaat door een flitspaal. Dezelfde technieken worden in fusieonderzoek momenteel gebruikt om in de data patronen te ontdekken, die dan wijzen op het begin van een plasmadisruptie.

Wij hebben een alternatieve methode ontwikkeld voor het voorspellen van plasmadisrupties. Onze benadering verschilt aanzienlijk van reeds bestaande technieken in twee opzichten. Eerst moet de beschikbare data sterk vereenvoudigd worden om het voor computers makkelijker te maken om patronen te herkennen. De data wordt soms via wiskundige manipulaties omgezet op zo'n manier, dat enkel de informatie over veranderingen in het signaal behouden wordt. Methodes daarvoor zijn o.a. fourieranalyse en de vrij recent ontwikkelde waveletanalyse, die hoofdzakelijk te danken is aan het werk van de Belgische wiskundige Ingrid Daubechies. In onze studie hebben we gebruik gemaakt van waveletanalyse, die minder gangbaar is in het domein van fusie. Dit is de eerste innovatie van onze techniek. De informatie over de veranderingen in de signalen wordt dan verder vereenvoudigd door gebruik te maken van een statistisch model. Eenmaal die omzetting gebeurd is, kan een computer de nieuwe, compacte data gebruiken om patronen te herkennen. Hier kan vervolgens een keuze gemaakt worden uit een grote waaier van patroonherkenningstechnieken. Hierin ligt de tweede innovatie, want patroonherkenningstechnieken vergelijken vaak data op basis van numerieke waarden, zonder rekening te houden met de oorsprong van die waarden. De notie afstand speelt hierbij een belangrijke rol. Om dit iets duidelijker te schetsen, is bijgevoegde figuur interessant. U ziet een gekromd oppervlak. Wiskundigen en ingenieurs zullen elk punt op dit oppervlak onderscheiden door een aaneenschakeling van getallen, d.i. coördinaten. Wat de meeste patroonherkenningstechnieken doen, is de afstand tussen twee punten berekenen aan de hand van het numerieke verschil tussen de getallen. Dit is niet correct, want zo wordt er geen rekening gehouden met de kromming van het oppervlak waarop de twee punten liggen. De correcte manier om de afstand te meten is langsheen het oppervlak. Hiermee werd zoveel mogelijk rekening gehouden in onze studie. De beknopte informatie van het statistisch model is namelijk ook een aaneenschakeling van getallen en kan beschouwd worden als punten die op een gekromd oppervlak liggen.

Het onderzoek leverde een aantal interessante resultaten op. We konden een groter aantal disrupties herkennen. Beide vernieuwingen van onze studie droegen afzonderlijk bij tot een beter resultaat. Onze testen wezen ook op een aantal aandachtspunten voor de toekomst. Signalen met een hogere tijdsresolutie wegen meer door op het resultaat van de computer dan signalen die een mindere resolutie hebben. Het zal dus in de toekomst belangrijk zijn om snelle meetapparatuur te gebruiken. Misschien zal het tevens nodig zijn om een meer doordachte keuze te maken voor de signalen die de computer gebruikt. Dit is omdat teveel signalen het onderscheidend vermogen van de computer kunnen aantasten.

Uit het onderzoek blijkt dus dat de nieuwe aanpak werkt. De toekomst zal uitwijzen of deze methode zal gebruikt worden om reactoren van de volgende generatie te beveiligen tegen instabiliteiten in het plasma. Het grootste struikelblok in onze studie was dat er geen onderzoekscentra voor fusie bestaan in België. We hebben samengewerkt met onderzoekers uit Oxford in Engeland en de communicatie verliep soms moeilijk. Of de methode verder zal ontwikkeld worden hangt dus deels af van een nauwe samenwerking met centra die over de gepaste infrastructuur beschikken.