Fusiereacties in sterren

Magnetische opsluiting

In magnetische opsluiting worden de deeltjes en de energie van een heet plasma met behulp van magnetische velden op hun plaats gehouden. Een geladen deeltje in een magnetisch veld ondervindt een Lorentz-kracht die evenredig is met het product van de snelheid van het deeltje en het magnetisch veld. Deze kracht veroorzaakt een spiraalbeweging van elektronen en ionen in de richting van de magnetische krachtlijn, waardoor de deeltjes worden opgesloten. Wanneer de topologie van het magneetveld een effectieve magnetische put oplevert en de drukbalans tussen het plasma en het veld stabiel is, kan het plasma van de materiaalgrenzen worden opgesloten. Warmte en deeltjes worden zowel langs als dwars door het veld getransporteerd, maar energieverliezen kunnen op twee manieren worden voorkomen. De eerste manier is om de sterkte van het magnetisch veld te verhogen op twee plaatsen langs de veldlijn. Geladen deeltjes die zich tussen deze punten bevinden, kunnen dan heen en weer reflecteren, een effect dat magnetische spiegeling wordt genoemd. In een in principe recht systeem met een gebied met een versterkt magnetisch veld aan elk uiteinde, kunnen deeltjes nog steeds ontsnappen door de uiteinden als gevolg van verstrooiing tussen de deeltjes wanneer zij de spiegelpunten naderen. Dergelijke eindverliezen kunnen geheel worden vermeden door een magnetisch veld te creëren in de topologie van een torus (d.w.z. configuratie van een donut of binnenbuis).

Externe magneten kunnen worden opgesteld om een topologie van magnetische velden te creëren voor stabiele plasmaopsluiting, of zij kunnen worden gebruikt in combinatie met magnetische velden die worden opgewekt door stromen die worden geïnduceerd om in het plasma zelf te stromen. Aan het eind van de jaren zestig boekte de Sovjet-Unie een grote vooruitgang bij het benutten van fusiereacties voor praktische energieproductie. Sovjet-wetenschappers bereikten een hoge plasmatemperatuur (ongeveer 3.000.000 K), samen met andere fysische parameters, in een machine die een tokamak wordt genoemd (zie figuur). Een tokamak is een toroïdaal magnetisch opsluitingssysteem waarin het plasma stabiel wordt gehouden door zowel een van buitenaf opgewekt, donutvormig magnetisch veld als door elektrische stromen die binnen het plasma vloeien. Sinds het eind van de jaren zestig is de tokamak wereldwijd het belangrijkste aandachtspunt geweest bij het onderzoek naar magnetische fusie, hoewel ook andere benaderingen, zoals de stellarator, de compacte torus en de omgekeerde veldspleet (RFP), zijn nagestreefd. In deze benaderingen volgen de magnetische veldlijnen een spiraalvormig, of schroefvormig, pad als de magnetische krachtlijnen zich rond de torus bewegen. In de tokamak is de steek van de helix zwak, zodat de veldlijnen losjes rond de poloïdale richting (door het centrale gat) van de torus kronkelen. RFP-veldlijnen daarentegen wikkelen veel strakker en wikkelen vele malen in de poloïdale richting voordat ze één lus in de toroïdale richting (rond het centrale gat) maken.

Magnetisch opgesloten plasma moet worden verhit tot temperaturen waarbij kernfusie krachtig is, meestal hoger dan 75.000.000 K (overeenkomend met een energie van 4.400 eV). Dit kan worden bereikt door radiofrequente golven of microgolven aan de plasmadeeltjes te koppelen, door energetische bundels neutrale atomen in te spuiten die geïoniseerd raken en het plasma verhitten, door het plasma magnetisch samen te persen, of door de ohmse verhitting (ook wel Joule-verwarming genoemd) die optreedt wanneer een elektrische stroom door het plasma gaat.

Wetenschappers en ingenieurs in de Verenigde Staten, Europa en Japan zijn in het midden van de jaren tachtig begonnen met het gebruik van grote experimentele tokamak-apparaten om condities van temperatuur, dichtheid en energieopsluiting te bereiken die nu overeenkomen met die welke nodig zijn voor praktische opwekking van fusie-energie. De machines die zijn gebruikt om deze resultaten te bereiken zijn de Joint European Torus (JET) van de Europese Unie, de Japanse Tokamak-60 (JT-60), en, tot 1997, de Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) in de Verenigde Staten. Zowel in de TFTR als in de JET produceerden experimenten met deuterium en tritium meer dan 10 megawatt fusievermogen en in wezen energie-evenvoorwaarden in het plasma zelf. Plasmacondities die die in tokamaks benaderen, werden in de jaren negentig ook bereikt in grote stellaratormachines in Duitsland en Japan.