Tokamak

Ein tokamak er ei innretning som skaper eit toroidisk (smultringforma) magnetfelt for innelukking av plasma i tilnærma termisk likevekt. Dette er ein av fleire typar magnetiske innelukkingssystem (eit anna er magnetiske spegel), og den vanlegaste forma nytta for kjernefysisk fusjon. Omgrepet tokamak er ei omskriving av det russiske ordet «Токамак» som igjen er eit akronym for «тороидальная камера в магнитных катушках» (toroidalnaja kamera v magnitnykh katusjkakh — toroidalt kammer i magnetiske spoler). Tokamaken vart oppfunnen på 1950-talet av Igor Tamm og Andrej Sakharov.

Tokamaken sitt magnetiske felt og elektrisk straum.

Tokamaken er karakterisert av rotasjonssymmetri og kombinerer magnetiske spolar rundt torusen med elektrisk straum i plasmaet for å skape eit spiraliserande magnetisk felt. Dette får ion og elektron i plasmaet til å følgje spiralforma feltlinjer rundt plasmaet slik at dette vert innelukka rundt ei senterlinje i torusen. Ved tilstrekkelig lågt tap av partikler og energi frå plasmaet kan dette oppretthalde fusjon.

Design

For å oppnå fusjon må plasmaet ha ein tilstrekkelig høg tettleik, eit energinivå som gjev ein minimum reaksjonrate og ei innelukkingstid som hindrar at iona forsvinn eller tapar energien sin før dei kan fusjonere. Ion og elektron i eit plasma må få relativt høg energi for å oppnå fusjon, typisk 25 keV for deuterium-tritiumbrensel. Temperaturen er derfor typisk 300 millionar Kelvin og middelfarten omtrent 1,25-1,5•10⁶ m/s. For å oppretthalde fusjon må innelukkingssystemet sørge for at plasmaet ikkje tapar partiklar med energi, og at partiklane ikkje tapar energien for raskt. I tidlege konstruksjonar (t.d. Z-klemme) brukte ein berre plasmastraum og det poloidale feltet denne sette opp (midtre figur). Dette vil få iona til å sirkle parallelt med ei senterlinje i torusen. Dette er ustabilt, og tokamaken brukar difor i tillegg omsluttande magnetspolar som set opp feltlinjer som er parallelle med ei senterlinje i torusen (øvst). Dette vil bøye av iona sirkulært rundt dei toroidale feltlinjene, og gjere plasmaet «stivare».

Nettoresultatet er at partiklane vil spiralisere rundt ei senterlinje i torusen. I praksis oppstår det alltid ustabilitet i plasmaet som fører til lekkasje av ion og energi. Ei av utfordringane i noverande eksperimentreaktorar er å studere korleis felta kan korrigerast for å minimalisere desse tapa.

Kvifor ein torus er den beste forma, kan forklarast ved «hårete ball-teoremet». Viss dei magnetiske feltlinjene vert samanlikna med hår som stikk opp av ein ball, vil det vere umogleg å greie håra på ballen slik at alle hår ligg flatt. Hår som stikk opp vil representere ein ustabilitet. I ein torus derimot kan ein greie håra (på mange måtar) slik at alle ligg flatt.

Oppvarming av plasmaet

Ein viktig eigenskap ved tokamak er at plasmaet er i tilnærma termisk likevekt (Maxwell–Boltzmann distribusjon). Då unngår ein at partiklar med særs ulikt energinivå er i nærleiken av kvarandre, noko som raskt vil tappe systemet for energi ved bremsestråling.

I ein operativ fusjonsreaktor må plasmaet ha eit energinivå på meir enn 10 KeV eller over 100 mill. Kelvin for å oppnå ein akseptabel reaksjonsrate. Deuterium-tritium fusjon har høgast reaksjonsevne ved ca 64 keV, men ved høgare energinivå aukar òg tapa. Lawson-kriteriet bereknar vilkåra for høgast netto energiproduksjon, og ligg for D-T fusjon omkring 25 keV. Noverande eksperimentreaktorar har alle tap som er høgare enn produsert fusjonsenergi. Difor opererer desse reaktorane med korte pulsar og plasmaet må varmast opp på ny mellom kvar puls.

Resistiv oppvarming

Fordi plasma leiar elektrisk straum kan plasmaet varmast opp ved den same straumen som blir til brukt å skape det poloidale feltet (over). Dette blir kalla resistiv oppvarming fordi det er basert på motstand i plasmaet. Men mobiliteten til elektrona aukar med aukande energinivå og difor fell motstanden med aukande temperatur og resistiv oppvarming blir difor mindre effektiv. Oppvarming over 20-30 mill. K (ca 2 keV) er ikkje mogleg og annan tilleggsoppvarming er naudsynt.

Injeksjon av nøytrale atom

Dette skjer ved injeksjon av nøytrale atom med høg energi inn i plasma. Desse atoma blir straks ionisert og blir fanga av magnetfeltet. Partiklane gjev frå seg energien sin i plasmaet ved å kollidere med andre atom.

Magnetisk kompresjon

På same måte som temperaturen i ein gass aukar ved kompresjon (PV/T konstant), vil temperaturen i plasmaet auke viss det blir komprimert raskt. Dette kan skje ved ein kraftig og rask auke av magnetfeltet. I ein tokamak oppnåast dette ved at plasmaet vert forskyvt radielt innover. Dette har ytterlegare den fordelen at tettleiken i brenselet aukar.

Oppvarming med mikrobølgjer

Mikrobølgjestråling frå t.d. gyrotronar eller klystronar utanfor reaktorkammeret kan varme plasmaet. Spesielle frekvensar blir absorbert av elektron i plasmaet som sidan kolliderer med andre partiklar og aukar temperaturen.

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Tokamak» frå Wikipedia på bokmål, den 30. april 2013.
  • Wikipedia på bokmål oppgav desse kjeldene:
• John Wesson (2000). The Science of JET (PDF). Abingdon, Oxon, UK: Publications Officer, JET Joint Undertaking. 

Bakgrunnsstoff

• Plasma Science
• EFN – Informasjon fra Europan Fusion Network
• JET Arkivert 2009-07-23 ved Wayback Machine.– Forskning på kjernefysisk fusjon ved JET (Joint European Tourus)
• JET Articles, Books and Links Arkivert 2007-02-07 ved Wayback Machine.
• ITER– ITER Eksprimentreaktor (International Thermonuclear Experimental Reactor)
• Unofficial ITER fan club
• www.tokamak.info List over nåværende og historiske totakamak reaktorer