Fusionsreaktionen in Sternen

Magnetischer Einschluss

Beim magnetischen Einschluss werden die Teilchen und die Energie eines heißen Plasmas durch Magnetfelder festgehalten. Ein geladenes Teilchen in einem Magnetfeld erfährt eine Lorentzkraft, die proportional zum Produkt aus der Geschwindigkeit des Teilchens und dem Magnetfeld ist. Diese Kraft führt dazu, dass sich Elektronen und Ionen spiralförmig um die Richtung der magnetischen Kraftlinie drehen und die Teilchen dadurch eingeschlossen werden. Wenn die Topologie des Magnetfelds eine wirksame magnetische Vertiefung ergibt und das Druckgleichgewicht zwischen dem Plasma und dem Feld stabil ist, kann das Plasma von den Materialgrenzen weg eingeschlossen werden. Wärme und Teilchen werden sowohl entlang des Feldes als auch quer dazu transportiert, aber Energieverluste können auf zwei Arten verhindert werden. Die erste besteht darin, die Stärke des Magnetfelds an zwei Stellen entlang der Feldlinie zu erhöhen. Geladene Teilchen, die sich zwischen diesen Punkten befinden, können hin und her reflektiert werden, ein Effekt, der als magnetische Spiegelung bezeichnet wird. In einem im Grunde geraden System mit einem Bereich mit verstärktem Magnetfeld an jedem Ende können die Teilchen aufgrund der Streuung zwischen den Teilchen bei der Annäherung an die Spiegelungspunkte immer noch durch die Enden entweichen. Solche Endverluste können vollständig vermieden werden, indem ein Magnetfeld in der Topologie eines Torus (d. h. in Form eines Donuts oder einer inneren Röhre) erzeugt wird.

Externe Magnete können so angeordnet werden, dass sie eine Magnetfeldtopologie für einen stabilen Plasmaeinschluss erzeugen, oder sie können in Verbindung mit Magnetfeldern verwendet werden, die durch Ströme erzeugt werden, die im Plasma selbst fließen. In den späten 1960er Jahren machte die Sowjetunion einen großen Fortschritt bei der Nutzung von Fusionsreaktionen für die praktische Energieerzeugung. Sowjetische Wissenschaftler erreichten eine hohe Plasmatemperatur (etwa 3.000.000 K) und andere physikalische Parameter in einer Maschine, die als Tokamak bezeichnet wird (siehe Abbildung). Ein Tokamak ist ein toroidales magnetisches Einschlusssystem, in dem das Plasma sowohl durch ein extern erzeugtes, donutförmiges Magnetfeld als auch durch elektrische Ströme, die innerhalb des Plasmas fließen, stabil gehalten wird. Seit den späten 1960er Jahren steht der Tokamak weltweit im Mittelpunkt der Magnetfusionsforschung, obwohl auch andere Ansätze wie der Stellarator, der kompakte Torus und der Reversed Field Pinch (RFP) verfolgt wurden. Bei diesen Ansätzen folgen die Magnetfeldlinien einem spiralförmigen oder schraubenförmigen Pfad, während die Magnetkraftlinien um den Torus herum verlaufen. Im Tokamak ist die Steigung der Spirale schwach, so dass sich die Feldlinien locker um die poloidale Richtung (durch das zentrale Loch) des Torus winden. Im Gegensatz dazu wickeln sich die RFP-Feldlinien viel enger, indem sie sich viele Male in der Poloidalrichtung winden, bevor sie eine Schleife in der Toroidalrichtung (um das zentrale Loch) vollenden.

Magnetisch eingeschlossenes Plasma muss auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen die Kernfusion stark ist, typischerweise über 75.000.000 K (entspricht einer Energie von 4.400 eV). Dies kann durch Einkopplung von Hochfrequenzwellen oder Mikrowellen in die Plasmateilchen, durch Injektion energiereicher Strahlen neutraler Atome, die ionisiert werden und das Plasma aufheizen, durch magnetische Kompression des Plasmas oder durch die ohmsche Erwärmung (auch Joule-Erwärmung genannt), die auftritt, wenn ein elektrischer Strom durch das Plasma fließt, erreicht werden.

Unter Anwendung des Tokamak-Konzepts begannen Wissenschaftler und Ingenieure in den Vereinigten Staaten, Europa und Japan Mitte der 1980er Jahre, große experimentelle Tokamak-Anlagen zu verwenden, um Temperatur-, Dichte- und Energieeinschlussbedingungen zu erreichen, die jetzt den für die praktische Erzeugung von Fusionsenergie erforderlichen entsprechen. Zu den Anlagen, mit denen diese Ergebnisse erzielt wurden, gehören der Joint European Torus (JET) der Europäischen Union, der japanische Tokamak-60 (JT-60) und, bis 1997, der Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in den Vereinigten Staaten. Sowohl im TFTR als auch im JET wurden bei Experimenten mit Deuterium und Tritium mehr als 10 Megawatt Fusionsleistung erzeugt, und im Plasma selbst herrschten im Wesentlichen energieeffiziente Bedingungen. Ähnliche Plasmabedingungen wie in Tokamaks wurden in den 1990er Jahren auch in großen Stellaratoranlagen in Deutschland und Japan erreicht.