Tokamak

En tokamak er en innretning som skaper et toroidisk (smultringformet) magnetfelt for innelukking av plasma i tilnærmet termisk likevekt. Dette er en av flere typer magnetiske innelukkingssystemer (et annet er magnetiske speil), og den ledende designkandidaten for kjernefysisk fusjon. Betegnelsen tokamak er en omskrivning av det russiske ordet «Токамак» som igjen er et akronym for «тороидальная камера в магнитных катушках» (toroidal'naya kamera v magnitnykh katushkakh — toroidalt kammer i magnetiske spoler), Tokamaken ble oppfunnet på 1950 tallet av Igor Tamm og Andrei Sakharov.
Tokamaken er karakterisert av rotasjonssymmetri og kombinerer magnetiske spoler rundt torusen med elektrisk strøm i plasmaet for å skape et spiraliserende magnetisk felt. Dette får ioner og elektroner i plasmaet til å følge spiralformede feltlinjer rundt plasmaet slik at dette innelukkes rundt en senterlinje i torusen. Ved tilstrekkelig lavt tap av partikler og energi fra plasmaet kan dette opprettholde fusjon.

Design

For å oppnå fusjon må plasmaet ha en tilstrekkelig høy densitet, et energinivå som gir en minimum reaksjonrate og en innelukkingstid som hindrer at ionene forsvinner eller taper sin energi før de kan fusjonere. Ioner og elektroner i et plasma må gis relativt høy energi for å oppnå fusjon, typisk 25 keV for Deuterium-Tritiumbrensel. Temperaturen er derfor typisk 300 Mill Kelvin og middelhastigheten omtrent 1,25-1,5•10⁶ m/s. For å opprettholde fusjon må innelukkingssystemet sørge for at plasmaet ikke taper partikler med energi, og at partiklene ikke taper energien for raskt. I tidlige konstruksjoner (eks. Z-klemme) brukte man kun plasmastrøm og det poloidale feltet denne setter opp (midtre figur). Dette vil få ionene til å sirkle parallelt med en senterlinje i torusen. Dette er ustabilt, og tokamaken bruker derfor i tillegg omsluttende magnetspoler som setter opp feltlinjer som er parellelle med en senterlinje i torusen (øverst). Dette vil avbøye ionene sirkulært rundt de toroidale feltlinjene, og gjøre plasmaet ”stivere”.
Nettoresultatet er at partiklene vil spiralisere rundt en senterlinje i torusen. I praksis oppstår det alltid ustabiliteter i plasmaet som fører til lekkasje av ioner og energi. En av utfordringene i nåværende eksperimentreaktorer er å studere hvordan feltene kan korrigeres for å minimalisere disse tapene.
Hvorfor en torus er den beste formen, kan forklares ved «hårete ball teoremet»; Hvis de magnetiske feltlinjene sammenlignes med hår som stikker opp av en ball, vil det være umulig å greie hårene på ballen slik at alle hår ligger flatt. Hår som stikker opp vil representere en ustabilitet. I en torus derimot kan man gre hårene (på mange måter) slik at alle ligger flatt.

Oppvarming av plasmaet

En viktig egenskap ved tokamak er at plasmaet er i tilnærmet termisk likevekt (Maxwell–Boltzmann distribusjon). Da unngår man at partikler med svært forskjellig energinivå er i nærheten av hverandre, noe som raskt vil tappe systemet for energi ved bremsstrahlung.
I en operativ fusjonsreaktor må plasmaet ha et energinivå på mer enn 10 KeV eller over 100 Mill. Kelvin for å oppnå en akseptabel reaksjonsrate. Deuterium-Tritium fusjon har høyest reaktivitet ved ca. 64 keV, men ved høyere energinivåer øker også tapene. Lawson-kriteriet beregner betingelsene for høyest netto energiproduksjon, og ligger for D-T fusjon omkring 25 keV. Nåværende ekperimentreaktorer har alle tap som er høyere enn produsert fusjonsenergi. Derfor opererer disse reaktorene med korte pulser og plasmaet må gjenoppvarmes mellom hver puls.

Resistiv oppvarming

Fordi plasma leder elektrisk strøm kan plasmaet varmes opp ved den samme strømmen som brukes til å skape det poloidale feltet (over). Dette kalles resistiv oppvarming fordi det er basert på motstand i plasmaet. Men elektronenes mobilitet øker med økende energinivå og derfor faller motstanden med økende temperatur og resistiv oppvarming blir derfor mindre effektiv. Oppvarming over 20-30 mill. K (ca. 2 keV) er ikke mulig og annen tilleggsoppvarming er nødvendig.

Injeksjon av nøytrale atomer

Dette skjer ved injeksjon av nøytrale atomer med høy energi inn i plasma. Disse atomene ioniseres straks og fanges av magnetfeltet. Partiklene avgir sin energi i plasmaet ved å kollidere med andre atomer.

Magnetisk kompresjon

På samme måte som temperaturen i en gass øker ved kompresjon (PV/T konstant), vil temperaturen i plasmaet øke hvis det komprimeres raskt. Dette kan skje ved en kraftig og rask økning av magnetfeltet. I en tokamak oppnås dette ved at plasmaet forskyves radielt innover. Dette har ytterligere den fordelen at densiteten i brenselet øker.

Oppvarming med mikrobølger

Mikrobølge elektromagnetisk stråling fra f.eks gyrotroner eller klystroner utenfor reaktorkammeret kan varme plasmaet. Spesielle frekvenser absorberes av elektroner i plasmaet som siden kolliderer med andre partikler og øker temperaturen.