Reacții de fuziune în stele

Confinare magnetică

În confinarea magnetică, particulele și energia unei plasme fierbinți sunt ținute în loc cu ajutorul câmpurilor magnetice. O particulă încărcată într-un câmp magnetic experimentează o forță Lorentz care este proporțională cu produsul dintre viteza particulei și câmpul magnetic. Această forță face ca electronii și ionii să se rotească în spirală în jurul direcției liniei de forță magnetică, confinând astfel particulele. Atunci când topologia câmpului magnetic produce un puț magnetic efectiv și când echilibrul de presiune dintre plasmă și câmp este stabil, plasma poate fi izolată departe de limitele materiale. Căldura și particulele sunt transportate atât de-a lungul cât și de-a lungul câmpului, dar pierderile de energie pot fi prevenite în două moduri. Primul constă în creșterea intensității câmpului magnetic în două locuri de-a lungul liniei de câmp. Particulele încărcate conținute între aceste puncte pot fi făcute să se reflecte înainte și înapoi, un efect numit oglindire magnetică. Într-un sistem practic rectiliniu, cu o regiune de câmp magnetic intensificat la fiecare capăt, particulele pot totuși scăpa prin capete datorită împrăștierii între particule pe măsură ce se apropie de punctele de oglindire. Astfel de pierderi la capete pot fi evitate cu totul prin crearea unui câmp magnetic în topologia unui torus (adică, configurația unei gogoși sau a unui tub interior).

Magneții externi pot fi aranjați pentru a crea o topologie a câmpului magnetic pentru o confinare stabilă a plasmei sau pot fi utilizați împreună cu câmpurile magnetice generate de curenții induși să circule în plasma însăși. La sfârșitul anilor 1960, Uniunea Sovietică a fost martora unui progres major în valorificarea reacțiilor de fuziune pentru producția practică de energie. Oamenii de știință sovietici au obținut o temperatură ridicată a plasmei (aproximativ 3.000.000 K), împreună cu alți parametri fizici, într-o mașină denumită tokamak (a se vedea figura). Un tokamak este un sistem toroidal de confinare magnetică în care plasma este menținută stabilă atât de un câmp magnetic generat din exterior, în formă de gogoașă, cât și de curenții electrici care circulă în interiorul plasmei. De la sfârșitul anilor 1960, tokamak-ul a fost principalul obiectiv al cercetării în domeniul fuziunii magnetice la nivel mondial, deși au fost urmărite și alte abordări, cum ar fi stellaratorul, torul compact și pinch-ul cu câmp inversat (RFP). În aceste abordări, liniile de câmp magnetic urmează o traiectorie elicoidală, sau în formă de șurub, pe măsură ce liniile de forță magnetică se deplasează în jurul torului. În tokamak, pasul elicei este slab, astfel încât liniile de câmp se înfășoară lejer în jurul direcției poloidale (prin gaura centrală) a torului. În schimb, liniile de câmp RFP se înfășoară mult mai strâns, înfășurându-se de mai multe ori în direcția poloidală înainte de a completa o buclă în direcția toroidală (în jurul orificiului central).

Plasma confinată magnetic trebuie să fie încălzită la temperaturi la care fuziunea nucleară este viguroasă, de obicei mai mari de 75.000.000 K (echivalentul unei energii de 4.400 eV). Acest lucru se poate realiza prin cuplarea undelor de radiofrecvență sau a microundei la particulele de plasmă, prin injectarea de fascicule energetice de atomi neutri care se ionizează și încălzesc plasma, prin comprimarea magnetică a plasmei sau prin încălzirea ohmică (cunoscută și sub numele de încălzire Joule) care are loc atunci când un curent electric trece prin plasmă.

Întrebuințând conceptul de tokamak, oamenii de știință și inginerii din Statele Unite, Europa și Japonia au început, la mijlocul anilor 1980, să utilizeze dispozitive experimentale mari de tip tokamak pentru a atinge condiții de temperatură, densitate și confinare a energiei care se potrivesc acum cu cele necesare pentru generarea practică a energiei de fuziune. Printre aparatele utilizate pentru a obține aceste rezultate se numără Joint European Torus (JET) al Uniunii Europene, Tokamak-60 japonez (JT-60) și, până în 1997, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) din Statele Unite. Într-adevăr, atât în dispozitivele TFTR, cât și în JET, experimentele care utilizează deuteriu și tritiu au produs mai mult de 10 megawați de putere de fuziune și, în esență, condiții de echilibru energetic în plasma însăși. Condiții de plasmă care se apropie de cele obținute în tokamaks au fost, de asemenea, obținute în marile aparate stellarator din Germania și Japonia în anii ’90.

.