Készítette: Imre Eszter
A magfúzióhoz több, mint 100 millió °C-os plazmahőmérséklet szükséges, ami többféle fűtései eljárással valósítható meg: ohmikus fűtéssel, semleges atomnyaláb fűtéssel, mikrohullámú, illetve rádiófrekvenciás fűtéssel.
Ohmikus fűtés
Az első tokamak típusú berendezésekben csakis az ohmikus fűtést alkalmazták, amely a plazmaáram Joule-hőjéből adódott. Ugyanakkor ezen fűtés kizárólagos alkalmazásával ugyan 10 millió °C-os hőmérséklet még könnyen biztosítani lehetett, a magfúzióhoz szükséges 100 millió °C -ot meghaladó hőmérsékletet nem lehetett elérni, valamint a sztellarátorokban a tokamakokban jelen lévő plazmaáram hiánya miatt ezt a fűtést nem lehetett alkalmazni, emiatt további plazma fűtés-technológia szükséges. A plazmaáram értékét a mágneses konfiguráció meghatározza, az ellenállása a hőmérséklet növekedésével R ~T-3/2 szerint csökken, így a P = I2R fűtési teljesítmény is csökken. A jelenleg működő közepes- és nagyberendezésekben már mindig van valamilyen más fűtés, például semleges atomnyaláb vagy mikrohullámú.
Semleges atomnyaláb fűtés (Neutral Beam Injection – NBI)
További releváns plazma fűtés a semleges atomnyaláb fűtés (angolul Neutral Beam Injection, röviden NBI). Ehhez szükséges egy ionforrás az ionok létrehozásához, egy részecskegyorsító az ionok felgyorsításához és a semlegesítő, amellyel az ionokból semleges atomokat lehet előállítani. A részecskegyorsítók ismertek – jelen vannak például a CERN-ben, a katódsugárcsöves televízióban és számos orvostudományi alkalmazásuk is van – , és noha ez esetben az ionok gyorsítása mást célt szolgál, az elvben vannak hasonlóságok. Elektromágneses térrel gyorsítani csak töltött részecskéket lehet, mivel a semleges részecskék nem lépnek kölcsönhatásra az elektromágneses térrel. Emiatt először ionokat kell előállítani, gyorsítani, és azokat csak a gyorsítás után semlegesíteni. Az NBI fűtés azon alapul, hogy nagy sebességre gyorsított 50-100 keV-es (ez 2200 – 3100 km/s-os sebességnek felel meg deutérium esetén) ionnyalábot semlegesítve és a plazmába lőve ezek a semleges részecskék a plazma részecskéivel ütköznek, és az ütközés hatására ionizálódnak. A keletkezett töltött részecskéket a mágneses tér a plazmában tartja, ahol újabb ütközésekkel átadják energiájukat a plazma elektronjainak és ionjainak, amelynek hatására a plazma hőmérséklete nő. A plazmában az NBI a fűtés mellett üzemanyag-utánpótlás is.
Jelenleg számos fúziós berendezésben üzemel NBI fűtés. Németországban a Max Planck Intézet két fúziós berendezése, az ASDEX Upgrade tokamak és a Wendelstein 7-X sztellarátor is fel van szerelve NBI fűtéssel, amelyek pozitív töltésű ionokat használnak az ionforráshoz. Az ASDEX Upgrade tokamakhoz két semleges atomnyaláb fűtés tartozik, amelyek fejenként négy ionforrással vannak felszerelve és összesen 20 MW teljesítményt biztosítanak. A két atomnyaláb fűtés 60 és 93 keV-os deutériumnyalábokat alkalmaz. A W7-X esetében NBI fűtéssel 4 MW fűtési teljesítményt lehet elérni.
Az ITER esetében két, egyenként 16,5 MW-os semleges atomnyaláb fog fűtést biztosítani a plazmának. Egy harmadik, kisebb diagnosztikai semleges atomnyaláb segítségével a D-T fúzió során keletkező hélium hamu sűrűségét lehet meghatározni majd az ITER tokamakban. Az ITER-ben lévő nagy térfogatú plazma miatt a semleges atomnyaláb fűtés új kihívások elé néz: a nyaláb részecskéinek sebességének 3-4-szer akkora sebességre van szükségük, mint a korábbi NBI fűtéseknél, ahhoz, hogy a tokamakban ne csak a szélplazmába jussanak el. Mivel ilyen nagy sebességnél a pozitív töltésű ionokat nehéz semlegesíteni, az ITER-ben egyedülálló módon negatív ionforrást alkalmaznak majd.
Mikrohullámú, elektronciklotron-rezonancia fűtés (Electron Cyclotron Resonance Heating – ECRH)
A mikrohullámú (elektron-ciklotronrezonancia, angolul electron cyclotron resonance heating, röviden ECRH) az egyik legsikeresebb, a plazma fűtését biztosító berendezés, számos tokamak és sztellarátor berendezésben alkalmazzák. Az elektron-ciklotronrezonancia elvét nem csak a plazma fűtésére, de diagnosztikájára is lehet alkalmazni, ez az elektron ciklotron emissziós (ECE) diagnosztika. AZ ECRH működése azon alapul, hogy az elektronok ciklotronfrekvenciájával rezonáló hullámok elnyelődhetnek a plazmában, és a plazmába irányított nagyfrekvenciás elektromágneses hullámok rezonáns kölcsönhatása az elektronokkal felfűti a plazmát. Ezen fűtés esetében jellemzően 70-150 GHz-es hullámokról van szó, melyek terjedhetnek a plazmában nem túl magas plazmasűrűség esetén. Ahol a plazmában lokálisan nyelődik el a hullám, ott a plazma adott régiójában fűt. Ezen hullámok hullámhossza 2-5 mm, hullámvezetőben vezethetők, és kvázioptikai eszközökkel, tükrökkel irányíthatók. Az optikai eszközök mozgatásával az elnyelődés helye beállítható. Az ECRH nyaláb forrása a girotron – röviden egy nagy teljesítményű mikrohullámú forrás – , amellyel az elektronnyaláb energiája lesz hullámmá alakítva. ECRH fűtés jelenleg a tokamakok és sztellarátorok többségében megtalálható.
Az ECRH egy nagyon pontos és erős fűtés; például a Wendelstein 7-X sztellarátorban jelenleg ez a legfontosabb fűtés, és jelenleg az egyetlen, amely képes folyamatosan működni a sztellarátornál. A W7-X-nél jelenleg már 10 girotronnal állítható elő 7,5 MW-os fűtési teljesítmény.
A jelenlegi tervek szerint az ITER-ben is az ECRH lesz a legjelentősebb fűtés. Az ITER indulásakor várhatóan 40 MW mikrohullámű fűtési teljesítmény lesz, ami az összes fűtési teljesítmény több, mint felét fogja adni. Későbbi plazmákban ez a teljesítmény akár 67 MW-ig is felmehet, amelyhez 80 girotron lesz szükséges.
Rádiófrekvenciás, ionciklotron-rezonancia fűtés (Ion Cyclotron Resonance Heating – ICRH)
Ion ciklotron fűtés (angolul Ion Cyclotron Resonance Heating, röviden ICRH) számos nagyberendezésen van, és az ITER számára a legfontosabb ionokat fűtő fűtőberendezés lesz. A plazmában az ionok Larmor mozgásuk során több 10 MHz frekvenciával keringenek a mágneses erővonalak körül. AZ ICRH fűtés során ha az ionkeringéssel azonos frekvenciájú hullám terjed a plazmában, akkor az megfelelő körülmények esetén képes állandóan gyorsítani az ionok mozgását és ezzel energiát adni át a hullámból a plazmába. Jelenleg több nagyberendezésben üzemel mind fűtésként, mind nem-induktív áramhajtásként (angolul non-inductive current drive). Az ICRH fűtésben sok a lehetőség ion- és elektronfűtésre a plazma szcenáriótól és antennáktól függően, de a megfelelő hullám gerjesztése és a nagyméretű antennák műszaki kihívásokat is jelentenek. ICRH fűtés alkalmazható mind tokamak, mind sztellarátor berendezésekben. A W7-X sztellarátorba épített ICRH fűtés célja 1,5 MW-os fűtési teljesítmény 10 s-ig tartó impulzusokban. A 2024-25-ös kampányokban ~1 MW-os fűtési teljesítményt már sikerült elérni ICRH-val 25 és 38 MHz-es frekvenciával. Hatékony ionfűtést deutérium-trícium plazmákban is demonstráltak már kísérletileg a JET és a TFTR tokamakoknál. További példa ICRH fűtésre a KSTAR és az EAST tokamakok fűtése, utóbbiban 37 MHz-es ICRH üzemel jelenleg. Az ITER-hez 2 ICRH berendezés fog tartozni, melyek egyenként 10 MW fűtési teljesítményt fognak biztosítani az ITER plazmának.
