Fusionsreaktioner i stjerner

Magnetisk indeslutning

I magnetisk indeslutning holdes partikler og energi i et varmt plasma på plads ved hjælp af magnetfelter. En ladet partikel i et magnetfelt oplever en Lorentz-kraft, som er proportional med produktet af partikelens hastighed og magnetfeltet. Denne kraft får elektroner og ioner til at dreje sig i spiralform omkring den magnetiske kraftlinjens retning, hvorved partiklerne holdes indespærret. Når topologien af det magnetiske felt giver en effektiv magnetisk brønd, og trykbalancen mellem plasmaet og feltet er stabil, kan plasmaet indesluttes væk fra materialegrænser. Varme og partikler transporteres både langs og på tværs af feltet, men energitab kan forhindres på to måder. Den første er at øge styrken af det magnetiske felt to steder langs feltlinjen. Ladede partikler, der befinder sig mellem disse punkter, kan reflekteres frem og tilbage, en effekt, der kaldes magnetisk spejling. I et i princippet lige system med et område med forstærket magnetfelt i hver ende kan partikler stadig slippe ud gennem enderne på grund af spredning mellem partikler, når de nærmer sig spejlpunkterne. Sådanne tab i enderne kan helt undgås ved at skabe et magnetfelt i topologien af en torus (dvs. konfiguration af en doughnut eller et indre rør).

Eksterne magneter kan arrangeres for at skabe en magnetfelttopologi til stabil plasmaindeslutning, eller de kan anvendes sammen med magnetfelter, der genereres af strømme, der induceres til at flyde i selve plasmaet. I slutningen af 1960’erne var Sovjetunionen vidne til et stort fremskridt i udnyttelsen af fusionsreaktioner til praktisk energiproduktion. Sovjetiske forskere opnåede en høj plasmatemperatur (ca. 3 000 000 K) sammen med andre fysiske parametre i en maskine, der kaldes en tokamak (se figuren). En tokamak er et torusformet magnetisk indeslutningssystem, hvor plasmaet holdes stabilt både af et eksternt genereret, doughnutformet magnetfelt og af elektriske strømme, der strømmer i plasmaet. Siden slutningen af 1960’erne har tokamakken været hovedfokus for den verdensomspændende forskning i magnetisk fusion, selv om der også er blevet arbejdet med andre metoder såsom stellaratoren, den kompakte torus og det omvendte felt (RFP). I disse metoder følger de magnetiske feltlinjer en spiralformet eller skruelignende bane, når de magnetiske kraftlinjer bevæger sig rundt om torus’en. I tokamak er spiralens hældning svag, så feltlinjerne snor sig løst omkring torusens poloidale retning (gennem det centrale hul). I modsætning hertil snor RFP-feltlinjerne sig meget strammere og vikler sig mange gange i poloidal retning, før de fuldfører en sløjfe i toroidal retning (rundt om det centrale hul).

Magnetisk indesluttet plasma skal opvarmes til temperaturer, hvor kernefusionen er kraftig, typisk større end 75.000.000 K (svarende til en energi på 4.400 eV). Dette kan opnås ved at koble radiofrekvente bølger eller mikrobølger til plasmapartiklerne, ved at injicere energirige stråler af neutrale atomer, der bliver ioniseret og opvarmer plasmaet, ved magnetisk komprimering af plasmaet eller ved den ohmske opvarmning (også kendt som Joule-opvarmning), der opstår, når en elektrisk strøm passerer gennem plasmaet.

Med tokamak-konceptet begyndte forskere og ingeniører i USA, Europa og Japan i midten af 1980’erne at bruge store eksperimentelle tokamak-enheder til at opnå temperatur-, tætheds- og energibeslutningsbetingelser, der nu svarer til dem, der er nødvendige for praktisk fusionsenergiproduktion. De maskiner, der anvendes til at opnå disse resultater, omfatter Joint European Torus (JET) i Den Europæiske Union, den japanske Tokamak-60 (JT-60) og indtil 1997 Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) i USA. I både TFTR- og JET-anlægget blev der ved eksperimenter med deuterium og tritium produceret mere end 10 megawatt fusionseffekt og i det store og hele opnået energibrydende forhold i selve plasmaet. Plasmaforhold, der nærmer sig dem, der blev opnået i tokamaks, blev også opnået i store stellaratormaskiner i Tyskland og Japan i løbet af 1990’erne.