Fuusioreaktiot tähdissä

Magneettinen sulkeutuminen

Magneettisessa sulkeutumisessa kuuman plasman hiukkaset ja energia pidetään paikallaan magneettikenttien avulla. Magneettikentässä olevaan varattuun hiukkaseen kohdistuu Lorentzin voima, joka on verrannollinen hiukkasen nopeuden ja magneettikentän tuloon. Tämä voima saa elektronit ja ionit kiertymään magneettisen voimasuoran suunnan ympäri, mikä rajoittaa hiukkasia. Kun magneettikentän topologia tuottaa tehokkaan magneettikuopan ja plasman ja kentän välinen painetasapaino on vakaa, plasma voidaan rajata pois aineellisista rajoista. Lämpö ja hiukkaset kulkeutuvat sekä kenttää pitkin että sen poikki, mutta energiahäviöt voidaan estää kahdella tavalla. Ensimmäinen keino on lisätä magneettikentän voimakkuutta kahdessa paikassa kenttälinjan varrella. Näiden pisteiden välissä olevat varatut hiukkaset voidaan saada heijastumaan edestakaisin, mitä kutsutaan magneettiseksi peilaukseksi. Periaatteessa suorassa järjestelmässä, jonka molemmissa päissä on alue, jossa magneettikenttä on voimistunut, hiukkaset voivat silti paeta päiden läpi hiukkasten välisen sironnan vuoksi, kun ne lähestyvät peilauspisteitä. Tällaiset päätehäviöt voidaan välttää kokonaan luomalla magneettikenttä toruksen topologiaan (eli donitsin tai sisäputken muotoon).

Ulkopuoliset magneetit voidaan järjestää niin, että ne luovat magneettikentän topologian, joka mahdollistaa plasman stabiilin rajoittamisen, tai niitä voidaan käyttää yhdessä magneettikenttien kanssa, jotka syntyvät itse plasmassa virtaamaan indusoitujen virtojen avulla. Neuvostoliitto saavutti 1960-luvun lopulla merkittävän edistysaskeleen fuusioreaktioiden hyödyntämisessä käytännön energiantuotannossa. Neuvostoliittolaiset tiedemiehet saavuttivat korkean plasman lämpötilan (noin 3 000 000 K) ja muita fysikaalisia parametreja laitteessa, jota kutsutaan tokamakiksi (ks. kuva). Tokamak on toroidinen magneettinen sulkujärjestelmä, jossa plasma pidetään vakaana sekä ulkoisesti tuotetun, donitsinmuotoisen magneettikentän että plasman sisällä kulkevien sähkövirtojen avulla. 1960-luvun lopulta lähtien tokamak on ollut magneettisen fuusiotutkimuksen pääkohde maailmanlaajuisesti, vaikka myös muita lähestymistapoja, kuten stellaraattoria, kompaktia torusta ja käänteiskenttäpuristusta (RFP), on tutkittu. Näissä lähestymistavoissa magneettikentän linjat kulkevat kierteistä tai ruuvimaista polkua, kun magneettiset voimalinjat kulkevat toruksen ympäri. Tokamakissa kierteen pituus on heikko, joten kenttälinjat kiertyvät löyhästi toruksen napasuunnan ympäri (keskireiän läpi). Sitä vastoin RFP:n kenttälinjat kiemurtelevat paljon tiukemmin, kietoutuen monta kertaa napasuuntaan ennen kuin ne tekevät yhden silmukan torussuuntaan (keskireiän ympäri).

Magneettisesti rajoitettu plasma on lämmitettävä lämpötiloihin, joissa ydinfuusio on voimakasta, tyypillisesti yli 75 000 000 K (vastaa 4400 eV energiaa). Tämä voidaan saavuttaa kytkemällä radiotaajuisia aaltoja tai mikroaaltoja plasman hiukkasiin, ruiskuttamalla neutraalien atomien energeettisiä säteitä, jotka ionisoituvat ja lämmittävät plasmaa, puristamalla plasmaa magneettisesti tai ohmisella lämpenemisellä (tunnetaan myös nimellä Joule-lämpeneminen), joka tapahtuu, kun sähkövirta kulkee plasman läpi.

Tutkijat ja insinöörit Yhdysvalloissa, Euroopassa ja Japanissa alkoivat 1980-luvun puolivälissä käyttää tokamak-konseptia hyödyntäen suuria kokeellisia tokamak-laitteita saavuttaakseen lämpötila-, tiheys- ja energiarajoitusolosuhteet, jotka vastaavat nykyään niitä, jotka ovat välttämättömiä käytännön fuusioenergian tuotannossa. Näiden tulosten saavuttamiseksi käytettyjä laitteita ovat Euroopan unionin Joint European Torus (JET), Japanin Tokamak-60 (JT-60) ja vuoteen 1997 asti Yhdysvaltojen Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR). Sekä TFTR:n että JET:n laitteissa deuteriumia ja tritiumia käyttävissä kokeissa saatiinkin aikaan yli 10 megawatin fuusioteho, ja itse plasmassa vallitsivat käytännössä energiakatto-olosuhteet. Plasmaolosuhteet, jotka lähestyvät tokamakeissa saavutettuja olosuhteita, saavutettiin myös suurissa stellaraattorilaitteissa Saksassa ja Japanissa 1990-luvulla.