Vad är magnetisk fängelse?

Magnetisk inneslutningssmältning är en metod för kärnfusion som involverar upphängning av en plasma (joniserad gas) i ett magnetfält och höjer dess temperatur och tryck till stora nivåer. Kärnfusion är en typ av kärnenergi som produceras när lätta atomkärnor - väte, deuterium, tritium eller helium - smälts samman vid stora temperaturer och tryck. Allt solens ljus och värme härrör från kärnfusionsreaktioner som pågår i dess kärna. Det är genom detta att solen alls kan existera - det yttre trycket hos fusionsreaktionerna balanserar tendensen till gravitationskollaps.

Även om mänskligheten har utnyttjat klyvningsenergi - som bryter isär tunga kärnor - för kärnkraft, undviker framgångsrik fusionskraft oss fortfarande. Hittills förbrukar varje försök att generera fusionskraft mer energi än den producerar. Magnetisk inneslutningssmältning är en av två populära metoder för kärnfusion - den andra är tröghetsfångning, vilket innebär att en bränslepellets bombarderas med högdrivna lasrar. Det finns för närvarande ett projekt med flera miljarder dollar som följer varje väg - National Ignition Facility i USA bedriver inertial fängelse, och International Thermonuclear Experimental Reactor, ett internationellt projekt, driver magnetisk fängelse.

Experiment i magnetisk inneslutning fusion började 1951, när Lyman Spitzer, en fysiker och astronom, byggde Stellerator, en figur åtta-formad plasma inneslutning enhet. Ett stort genombrott kom 1968, då ryska forskare presenterade tokamak-designen för allmänheten, en torus som skulle vara designen för de flesta magnetiska fusionsanordningar som kommer att komma. 1991 var det ytterligare ett steg framåt med byggandet av START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak) i Storbritannien, en sfäromak eller en sfärisk tokamak. Testning visade att den här enheten var ungefär tre gånger bättre än de flesta tokamaker vid initiering av fusionsreaktioner, och sfäromaker är fortfarande ett pågående undersökningsområde inom fusionsforskning.

För att fusionsreaktionerna ska vara effektiva måste centrum för en tokamak-reaktor upphettas till temperaturer runt 100 miljoner Kelvin. Vid så höga temperaturer har partiklarna enorm kinetisk energi och försöker ständigt fly. En fusionsforskning jämför utmaningen med magnetisk inneslutningssmältning med den att pressa en ballong - om du trycker hårt på ena sidan, dyker det bara ut på en annan. Vid magnetisk inneslutningssmältning får denna "popping out" högpartiklar att kollidera med reaktorväggen och skrapa bort bitar av metall i en process som kallas "sputtering". Dessa partiklar absorberar energi, sänker den totala temperaturen i den slutna plasma och gör det svårt att uppnå rätt temperatur.

Om fusionskraften skulle kunna bemästra kan den bli en enastående energikälla för mänskligheten, men även de mest optimistiska forskarna förväntar sig inte kommersiell kraftproduktion före 2030.