Real Time Performance Analysis of an Optimized Linear Disruption Predictor in JET

Resumen

En los últimos años, la fusión nuclear se ha incorporado con fuerza a la carrera por alcanzar una alternativa energética a los combustibles fósiles que resulte viable y segura. La abundancia de combustible y la significativamente menor huella radiactiva que supone la fusión nuclear en comparación con la fisión añade más argumentos favorables al eterno debate de "por qué fusión". La Fusión por Confinamiento Magnético (FCM) es la que ha recibido mayor aceptación y sobretodo, el esquema Tokamak es actualmente el esquema de confinamiento preferido y más abordado. Sin embargo, los tokamaks son propensos a las disrupciones: una pérdida repentina y peligrosa del confinamiento del plasma en escalas de tiempo de milisegundos, que provoca enormes cantidades de vertido de energía en la cámara de vacío, causando en ella daños materiales y estructurales. Las fuerzas electromecánicas generadas durante y después de la disrupción pueden ser del orden de varias toneladas, causando una mella significativa en la vida útil de los componentes de la cámara y también, deteniendo el funcionamiento del reactor en caso de necesidad de reparación o sustitución de los mismos. Hasta el momento, no se ha alcanzado una comprensión completa del origen de las disrupciones; se han identificado muchas causas responsables de ellas, pero aún no se ha ideado una teoría basada en la física. Aquí es donde ha brillado el uso de la ciencia de datos y los métodos de aprendizaje automático, que ofrecen la posibilidad de analizar y aprender de los datos para diseñar sistemas que puedan predecir la aparición de disrupciones. Con la enorme cantidad de datos que se crean en cada descarga experimental, combinar nuestra comprensión de la física de las disrupciones y el poder de la ciencia de datos para abordar el problema de las disrupciones es el camino a seguir. Se desarrolló un predictor de disrupciones basado en un modelo lineal, con una interpretación física simple y una capacidad de rendimiento robusta. Toda la información sobre el comportamiento disruptivo y no disruptivo del plasma se comprimió en dos centroides, cada uno correspondiente a un tipo y el mismo se utilizó para predecir disrupciones en tiempo real durante las campañas experimentales del Joint European Torus (JET). El predictor se denomina "predictor del método del centroide" porque se resuelve un problema de clasificación binaria cada vez que se dispone de un nuevo punto de datos y la métrica utilizada para asignar una etiqueta es la distancia euclídea al centroide más cercano. El predictor se basa en un precursor muy común en las perturbaciones JET: el fenómeno de bloqueo de modo. El uso del bloqueo de modo para la predicción de disrupciones proporciona un nivel de robustez y fiabilidad al predictor, una característica muy deseable, especialmente para los sistemas de protección de máquinas. Esta tesis doctoral se basa en la demostración de la viabilidad del predictor del método de los centroides para sistemas de protección de máquinas con fines de mitigación. Se ha analizado el rendimiento del predictor en la red en tiempo real de JET y se ha comparado con los sistemas de protección en tiempo real existentes. El análisis se ha llevado a cabo para varias campañas experimentales diferentes, incluyendo dos campañas Deuterio-Tritio, simulando un escenario real de un reactor futuro. Los resultados obtenidos demuestran que el predictor del método de los centroides supera a todos los predictores existentes en el sistema de protección de máquinas de JET en tiempo real y proporciona alarmas con tiempos de aviso significativamente mejores, lo que permite tomar las medidas adecuadas para garantizar la seguridad del dispositivo. También se han comparado las fuerzas generadas en la cámara en el instante de predicción frente a las generadas en el instante real de disrupción. El predictor del método de los centroides proporciona alarmas con valores de las fuerzas muy superiores- en promedio- en comparación con los otros predictores del sistema de protección del dispositivo. Por lo tanto, al argumento de la acción rápida que debe adoptarse sobre la base de la predicción generada por el predictor del método de los centroides se suma el objetivo de reducir las fuerzas en caso de una disrupción. En resumen, el predictor del método de los centroides destaca a la hora de proporcionar alarmas fiables y oportunas para disrupciones en el JET y, por lo tanto, se presenta como una opción sólida para ser utilizado en el sistema de protección del dispositivo. El capítulo 1 contiene una introducción general a la fusión nuclear, así como al JET y al ITER. El capítulo 2 determina el objetivo de este trabajo. El capítulo 3 ofrece un análisis detallado de las disrupciones, sus causas y efectos. El tema central del capítulo 4 es una visión general del estado actual de la predicción de disrupciones. El predictor del método de los centroides se presenta y explica ampliamente en el capítulo 5, donde se analiza en detalle cada paso del desarrollo y la implantación. El capítulo 6 abarca los resultados del análisis de rendimiento del predictor del método de los centroides en la red en tiempo real JET en diferentes campañas experimentales. Las conclusiones y posibles trabajos futuros se discuten en el capítulo 7 para completar la exposición del trabajo realizado.