Reakcje termojądrowe w gwiazdach

Uwięzienie magnetyczne

W uwięzieniu magnetycznym cząstki i energia gorącej plazmy są utrzymywane w miejscu za pomocą pól magnetycznych. Naładowana cząstka w polu magnetycznym doświadcza siły Lorentza, która jest proporcjonalna do iloczynu prędkości cząstki i pola magnetycznego. Siła ta powoduje, że elektrony i jony kręcą się wokół kierunku linii sił magnetycznych, ograniczając w ten sposób cząstki. Kiedy topologia pola magnetycznego daje efektywną studnię magnetyczną, a równowaga ciśnień pomiędzy plazmą a polem jest stabilna, plazma może być zamknięta z dala od granic materiału. Ciepło i cząsteczki są transportowane zarówno wzdłuż, jak i w poprzek pola, ale stratom energii można zapobiec na dwa sposoby. Pierwszy z nich polega na zwiększeniu natężenia pola magnetycznego w dwóch miejscach wzdłuż linii pola. Naładowane cząstki znajdujące się pomiędzy tymi punktami mogą być odbijane tam i z powrotem, efekt ten nazywamy lustrzanym odbiciem magnetycznym. W zasadniczo prostym układzie z regionem wzmożonego pola magnetycznego na każdym końcu, cząstki mogą nadal uciekać przez końce z powodu rozpraszania między cząstkami, gdy zbliżają się do punktów lustrzanych. Takie straty końcowe mogą być całkowicie uniknięte poprzez wytworzenie pola magnetycznego w topologii torusa (tj. konfiguracji pączka lub wewnętrznej rury).

Zewnętrzne magnesy mogą być ustawione tak, aby wytworzyć topologię pola magnetycznego dla stabilnego zamknięcia plazmy, lub mogą być użyte w połączeniu z polami magnetycznymi wytworzonymi przez prądy indukowane do przepływu w samej plazmie. Pod koniec lat 60-tych w Związku Radzieckim dokonał się znaczący postęp w wykorzystaniu reakcji fuzji jądrowej do praktycznej produkcji energii. Radzieccy naukowcy osiągnęli wysoką temperaturę plazmy (około 3 000 000 K) oraz inne parametry fizyczne w urządzeniu zwanym tokamakiem (patrz rysunek). Tokamak jest toroidalnym systemem magnetycznego zamknięcia, w którym plazma jest utrzymywana w stanie stabilnym zarówno przez zewnętrznie wytworzone pole magnetyczne w kształcie pączka, jak i przez prądy elektryczne płynące wewnątrz plazmy. Od końca lat 60-tych XX wieku tokamak jest głównym obiektem badań nad fuzją magnetyczną na całym świecie, chociaż inne rozwiązania, takie jak stellarator, kompaktowy torus i odwrócone pole magnetyczne (ang. reversed field pinch – RFP) są również stosowane. W tych podejściach linie pola magnetycznego podążają po spiralnym lub śrubowym torze, gdy linie sił magnetycznych biegną wokół torusa. W tokamaku nachylenie spirali jest słabe, więc linie pola wiją się luźno wokół kierunku poloidalnego (przez centralny otwór) torusa. W przeciwieństwie do tego, linie pola RFP wiją się znacznie ciaśniej, zawijając wiele razy w kierunku poloidalnym przed wykonaniem jednej pętli w kierunku toroidalnym (wokół centralnego otworu).

Plazma zamknięta magnetycznie musi być podgrzana do temperatury, w której fuzja jądrowa jest energiczna, zwykle większej niż 75 000 000 K (co odpowiada energii 4 400 eV). Można to osiągnąć przez sprzężenie fal o częstotliwości radiowej lub mikrofal z cząstkami plazmy, przez wstrzykiwanie energetycznych wiązek neutralnych atomów, które zostają zjonizowane i ogrzewają plazmę, przez magnetyczne ściskanie plazmy lub przez ogrzewanie omowe (znane również jako ogrzewanie Joule’a), które występuje, gdy prąd elektryczny przechodzi przez plazmę.

Przy zastosowaniu koncepcji tokamaka, naukowcy i inżynierowie w Stanach Zjednoczonych, Europie i Japonii zaczęli w połowie lat 80-tych wykorzystywać duże eksperymentalne urządzenia tokamakowe do osiągnięcia warunków temperatury, gęstości i uwięzienia energii, które obecnie odpowiadają warunkom niezbędnym do praktycznego wytwarzania energii z fuzji jądrowej. Do urządzeń służących osiągnięciu tych wyników należą Joint European Torus (JET) w Unii Europejskiej, japoński Tokamak-60 (JT-60) oraz, do 1997 roku, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) w Stanach Zjednoczonych. Zarówno w TFTR, jak i w JET, eksperymenty z deuterem i trytem pozwoliły na uzyskanie mocy syntezy jądrowej przekraczającej 10 megawatów, a w samej plazmie panowały warunki zbliżone do progu energetycznego. Warunki plazmowe zbliżone do tych osiąganych w tokamakach uzyskano również w dużych stellaratorach w Niemczech i Japonii w latach 90-tych.