Kernfusie, een zon op aarde

De grootste hindernis in het tot stand brengen van kernfusie is de enorm hoge temperatuur van een fusieplasma. Tegen een dergelijke temperatuur - 150 miljoen graden Celsius - is geen enkel materiaal bestand. In een reactorvat moet daarom de warmteoverdracht van het hete plasma naar de wand beperkt worden om de wand tegen te hoge temperaturen te beschermen, en om het plasma op temperatuur te houden. Het plasma moet dus worden opgesloten.

Om dit tot stand te brengen kunnen we gebruik maken van een eigenschap van het plasma: omdat een plasma uit geladen deeltjes bestaat - ionen en elektronen - kan een plasma worden gemanipuleerd met magneetvelden. Een geladen deeltje is gedwongen om een magneetlijn te volgen, zoals afgebeeld in figuur 3. De magneetlijnen zijn zo georganiseerd dat het plasma de binnenwand van het vat niet meer raken: deze techniek wordt daarom magnetische opsluiting genoemd.

Figuur 3. Met behulp van een magneetveld wordt er voor gezorgd dat de geladen deeltjes in het plasma niet meer met de wand in contact komen. Hier zijn alleen de elektronen weergegeven. Boven: door de afwezigheid van het magneetveld kunnen de deeltjes ongehinderd bewegen en de wand raken. Onder: geladen deeltjes cirkelen rond de veldlijnen en maken geen contact meer met de wand: ze zitten in het magneetveld opgesloten.

De eerste pogingen om een plasma op te sluiten hadden vanwege dit principe de vorm van een rechte cylinder met elektromagneten er omheen. In het middelste gedeelte van de cylinder werkt dat goed, maar de uiteinden leidden tot problemen. Een grote doorbraak in het kernfusie-onderzoek was de introductie van de tokamak. De tokomak heeft de vorm van een ring, (of torus) zodat uiteinden vermeden worden. Het woord 'tokamak' is een Russische afkorting van de woorden "toroidalnaya", "kamera", en "magnitnaya", wat betekent "torusvormige magnetische kamer". Een tokamak, met de bijbehorende magneten, is afgebeeld in figuur 4.

Figuur 4. Een tokamak met bijbehorende magneten. Het vacuümvat waarin het plasma zich bevindt is hier weggelaten. Met het transformatorjuk kan door het plasma een stroom worden gestuurd, waarbij het plasma als secundaire wikkeling fungeert. Het magneetveld dat deze stroom opwekt, is nodig voor het opsluiten van het plasma.

Deze techniek van magnetische opsluiting werkt zeer efficiënt: het warmteverlies van het hete plasma naar de binnenwand wordt met een factor 10¹⁵ teruggebracht, vergelijkbaar met de warmte-isolatie van piepschuim.