Fúzní reakce ve hvězdách

Magnetické udržení

V magnetickém udržení jsou částice a energie horkého plazmatu udržovány na místě pomocí magnetického pole. Na nabitou částici v magnetickém poli působí Lorentzova síla, která je úměrná součinu rychlosti částice a magnetického pole. Tato síla způsobuje, že elektrony a ionty se stáčejí kolem směru magnetické siločáry, čímž se částice omezují. Pokud topologie magnetického pole vytváří efektivní magnetickou studnu a rovnováha tlaku mezi plazmatem a polem je stabilní, lze plazma omezit směrem od hranic materiálu. Teplo a částice se přenášejí podél i napříč polem, ale ztrátám energie lze zabránit dvěma způsoby. Prvním je zvýšení intenzity magnetického pole na dvou místech podél siločar. Nabité částice obsažené mezi těmito body se mohou odrážet tam a zpět, což se nazývá magnetické zrcadlení. U v podstatě přímého systému s oblastí zesíleného magnetického pole na obou koncích mohou částice stále unikat přes konce v důsledku rozptylu mezi částicemi, když se blíží k zrcadlovým bodům. Takovým ztrátám na koncích lze zcela zabránit vytvořením magnetického pole v topologii torusu (tj. konfigurace koblihy nebo vnitřní trubice).

Vnější magnety mohou být uspořádány tak, aby vytvořily topologii magnetického pole pro stabilní udržení plazmatu, nebo mohou být použity ve spojení s magnetickými poli generovanými proudy vyvolanými prouděním v samotném plazmatu. Koncem šedesátých let 20. století zaznamenal Sovětský svaz významný pokrok ve využití fúzních reakcí pro praktickou výrobu energie. Sovětští vědci dosáhli vysoké teploty plazmatu (přibližně 3 000 000 K) spolu s dalšími fyzikálními parametry v zařízení označovaném jako tokamak (viz obrázek). Tokamak je toroidální magnetický uzavírací systém, ve kterém je plazma udržováno stabilní jak vnějším magnetickým polem ve tvaru koblihy, tak elektrickými proudy tekoucími uvnitř plazmatu. Od konce šedesátých let 20. století je tokamak hlavním předmětem celosvětového výzkumu magnetické fúze, ačkoli se zkoumají i další přístupy, jako je stelarátor, kompaktní torus a pinč s obráceným polem (RFP). V těchto přístupech magnetické siločáry sledují šroubovitou dráhu, jak magnetické siločáry postupují kolem torusu. V tokamaku je stoupání šroubovice slabé, takže se siločáry magnetického pole volně vinou kolem poloidálního směru (centrálním otvorem) torusu. Naproti tomu siločáry RFP se vinou mnohem těsněji a mnohokrát se ovinou v poloidálním směru, než dokončí jednu smyčku v toroidálním směru (kolem centrálního otvoru).

Magneticky omezené plazma musí být zahřáto na teplotu, při níž probíhá energická jaderná fúze, obvykle vyšší než 75 000 000 K (což odpovídá energii 4 400 eV). Toho lze dosáhnout spojením radiofrekvenčních vln nebo mikrovln s částicemi plazmatu, vstřikováním energetických svazků neutrálních atomů, které se ionizují a ohřívají plazma, magnetickým stlačováním plazmatu nebo ohmickým ohřevem (známým také jako Jouleův ohřev), ke kterému dochází při průchodu elektrického proudu plazmatem.

Vědci a inženýři ve Spojených státech, Evropě a Japonsku začali v polovině 80. let 20. století využívat velké experimentální zařízení tokamak k dosažení podmínek teploty, hustoty a omezení energie, které nyní odpovídají podmínkám nezbytným pro praktickou výrobu energie z jaderné fúze. K zařízením používaným k dosažení těchto výsledků patří Joint European Torus (JET) Evropské unie, japonský tokamak-60 (JT-60) a do roku 1997 Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) ve Spojených státech. Jak v zařízení TFTR, tak v zařízení JET se při experimentech s deuteriem a tritiem podařilo získat více než 10 megawattů fúzního výkonu a v podstatě nulovou energii v samotném plazmatu. Podmínky v plazmatu blížící se podmínkám dosaženým v tokamacích byly v 90. letech 20. století dosaženy také ve velkých stelarátorech v Německu a Japonsku

.