Fusionsreaktioner i stjärnor

Magnetisk inneslutning

I magnetisk inneslutning hålls partiklarna och energin i en varm plasma på plats med hjälp av magnetfält. En laddad partikel i ett magnetfält upplever en Lorentzkraft som är proportionell mot produkten av partikelns hastighet och magnetfältet. Denna kraft får elektroner och joner att snurra runt den magnetiska kraftlinjens riktning, vilket gör att partiklarna begränsas. När magnetfältets topologi ger en effektiv magnetisk brunn och tryckbalansen mellan plasman och fältet är stabil, kan plasman begränsas bort från materialgränser. Värme och partiklar transporteras både längs och tvärs över fältet, men energiförluster kan förhindras på två sätt. Det första är att öka magnetfältets styrka på två ställen längs fältlinjen. Laddade partiklar som befinner sig mellan dessa punkter kan fås att reflektera fram och tillbaka, en effekt som kallas magnetisk spegling. I ett i princip rakt system med ett område med förstärkt magnetfält i varje ände kan partiklar fortfarande fly genom ändarna på grund av spridning mellan partiklar när de närmar sig de speglande punkterna. Sådana förluster i ändarna kan undvikas helt och hållet genom att skapa ett magnetfält i topologin av en torus (dvs. konfigurationen av en munk eller ett innerrör).

Externa magneter kan arrangeras för att skapa en magnetfältstopologi för stabil plasmainlåsning, eller så kan de användas tillsammans med magnetfält som genereras av strömmar som induceras att flöda i själva plasman. I slutet av 1960-talet gjorde Sovjetunionen stora framsteg när det gäller att utnyttja fusionsreaktioner för praktisk energiproduktion. Sovjetiska forskare uppnådde en hög plasmatemperatur (cirka 3 000 000 K), tillsammans med andra fysiska parametrar, i en maskin som kallas tokamak (se figur). En tokamak är ett toroidalt magnetiskt inneslutningssystem där plasmat hålls stabilt både av ett externt genererat, munkformat magnetfält och av elektriska strömmar som flyter i plasmat. Sedan slutet av 1960-talet har tokamaken varit huvudfokus för forskningen om magnetisk fusion över hela världen, även om andra metoder, t.ex. stellaratorn, den kompakta torusen och den omvända fältknappningen (RFP) också har använts. I dessa metoder följer de magnetiska fältlinjerna en spiralformad eller skruvliknande bana när de magnetiska kraftlinjerna går runt torusen. I tokamaken är spiralens stigning svag, så fältlinjerna slingrar sig löst runt torusens poloidala riktning (genom det centrala hålet). Däremot slingrar sig RFP-fältlinjerna mycket snävare och lindar sig många gånger i poloidalriktningen innan de fullbordar en slinga i toroidalriktningen (runt det centrala hålet).

Magnetiskt innesluten plasma måste upphettas till temperaturer vid vilka kärnfusionen är kraftig, vanligen högre än 75 000 000 K (motsvarande en energi på 4 400 eV). Detta kan åstadkommas genom att koppla radiofrekventa vågor eller mikrovågor till plasmapartiklarna, genom att injicera energirika strålar av neutrala atomer som joniseras och värmer upp plasman, genom att magnetiskt komprimera plasman eller genom den ohmska uppvärmning (även kallad Joule-uppvärmning) som sker när en elektrisk ström passerar genom plasman.

Med hjälp av tokamakkonceptet började forskare och ingenjörer i USA, Europa och Japan i mitten av 1980-talet att använda stora experimentella tokamakanordningar för att uppnå förhållanden med avseende på temperatur, densitet och energiinlåsning som nu motsvarar de förhållanden som är nödvändiga för praktisk produktion av fusionsenergi. De maskiner som använts för att uppnå dessa resultat är Joint European Torus (JET) i Europeiska unionen, den japanska Tokamak-60 (JT-60) och, fram till 1997, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) i Förenta staterna. I både TFTR- och JET-enheterna producerade experiment med deuterium och tritium mer än 10 megawatt fusionseffekt och i stort sett energibrytande förhållanden i själva plasman. Plasmaförhållanden som närmar sig dem som uppnås i tokamaker uppnåddes också i stora stellaratormaskiner i Tyskland och Japan under 1990-talet.