Fúziós reakciók a csillagokban

Mágneses bezártság

A mágneses bezártságban a forró plazma részecskéit és energiáját mágneses terek tartják a helyén. A mágneses térben lévő töltött részecskére Lorentz-erő hat, amely arányos a részecske sebességének és a mágneses tér szorzatával. Ez az erő az elektronokat és ionokat a mágneses erővonal iránya körüli spirálba kényszeríti, ezáltal a részecskéket bezárja. Ha a mágneses mező topológiája hatékony mágneses kutat eredményez, és a plazma és a mező közötti nyomásegyensúly stabil, a plazma az anyaghatároktól elzárható. A hő és a részecskék a mező mentén és a mezőn keresztül is szállítódnak, de az energiaveszteségeket kétféleképpen lehet megakadályozni. Az első a mágneses tér erősségének növelése a mezővonal mentén két helyen. Az e pontok között található töltött részecskék visszaverődhetnek oda-vissza, ezt a hatást mágneses tükrözésnek nevezik. Egy alapvetően egyenes rendszerben, amelynek mindkét végén van egy-egy erősített mágneses térrel rendelkező terület, a részecskék a tükrözési pontokhoz közeledve a részecskék közötti szóródás miatt a végeken keresztül még mindig kiszabadulhatnak. Az ilyen végveszteségek teljesen elkerülhetők a tórusz topológiájú (azaz fánk vagy belső cső konfigurációjú) mágneses tér létrehozásával.

A külső mágnesek elrendezhetők a stabil plazmaszárlatot biztosító mágneses mező topológiájának létrehozására, vagy használhatók magában a plazmában áramlásra indukált áram által létrehozott mágneses mezőkkel együtt. Az 1960-as évek végén a Szovjetunió jelentős előrelépést tett a fúziós reakciók gyakorlati energiatermelésre való hasznosítása terén. A szovjet tudósok magas plazmahőmérsékletet (kb. 3 000 000 K) és más fizikai paramétereket értek el egy tokamaknak nevezett berendezésben (lásd az ábrát). A tokamak egy toroidális mágneses zárórendszer, amelyben a plazmát egyrészt egy kívülről generált, fánk alakú mágneses tér, másrészt a plazmán belül áramló elektromos áram tartja stabilan. Az 1960-as évek vége óta világszerte a tokamak áll a mágneses fúziós kutatások középpontjában, bár más megközelítésekkel is foglalkoztak, mint például a sztellarátor, a kompakt torusz és a fordított mezőcsípés (RFP). Ezekben a megközelítésekben a mágneses mezővonalak spirális vagy csavarszerű utat követnek, ahogy a mágneses erővonalak a tórusz körül haladnak. A tokamakban a csigavonal meredeksége gyenge, így a mezővonalak lazán kanyarognak a tórusz poloidális iránya körül (a központi lyukon keresztül). Ezzel szemben az RFP mezővonalak sokkal szorosabban kanyarognak, sokszor tekeregnek a poloidális irányban, mielőtt egy hurkot befejeznének a toroidális irányban (a központi lyuk körül).

A mágnesesen zárt plazmát olyan hőmérsékletre kell hevíteni, amelyen a magfúzió erőteljes, jellemzően 75 000 000 K-nál nagyobb (ez 4400 eV energiának felel meg). Ezt úgy lehet elérni, hogy rádiófrekvenciás hullámokat vagy mikrohullámokat kapcsolnak a plazmarészecskékhez, semleges atomokból álló energiasugarakat juttatnak be, amelyek ionizálódnak és felmelegítik a plazmát, mágnesesen összenyomják a plazmát, vagy ohmos fűtéssel (más néven Joule-fűtés), amely akkor következik be, amikor elektromos áram halad át a plazmán.

A tokamak koncepciót alkalmazva a tudósok és mérnökök az Egyesült Államokban, Európában és Japánban az 1980-as évek közepén kezdték el használni a nagy kísérleti tokamak berendezéseket, hogy olyan hőmérsékleti, sűrűségi és energiabesorolási feltételeket érjenek el, amelyek ma már megfelelnek a gyakorlati fúziós energiatermeléshez szükségeseknek. Az ezen eredmények eléréséhez használt gépek közé tartozik az Európai Unió Joint European Torus (JET), a japán Tokamak-60 (JT-60) és 1997-ig az Egyesült Államokban a Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR). Mind a TFTR, mind a JET berendezésben a deutériumot és tríciumot használó kísérletek során több mint 10 megawatt fúziós teljesítményt és lényegében energiatörvényes állapotokat állítottak elő magában a plazmában. A tokamakokban elért plazmakörülményeket megközelítő plazmakörülményeket értek el az 1990-es években Németországban és Japánban a nagy sztellarátoros berendezésekben is.