Il Tokamak acronimo del suo nome completo di тороидальная камера с магнитными катушками, (cella toroidale, cioè a forma di ciambella, con bobine magnetiche) è una macchina a forma di ciambella appunto che, attraverso il confinamento magnetico di isotopi di idrogeno allo stato di plasma (il plasma è un gas ionizzato, cioè un gas che ha molte cariche elettriche libere e quindi è un ottimo conduttore di elettricità), crea le condizioni affinché si verifichi, al suo interno, la fusione termonucleare allo scopo di estrarne l'energia prodotta.

Il tokamak è il risultato delle ricerche condotte nel 1950 dagli scienziati russi Andrei Sakharov e Igor Tamm, anche se il nome più precisamente risale al 1957. Nell'ottobre 1950 essi completarono le prime valutazioni del parametri necessari per un reattore nucleare a fusione: Igor Kurchatov quindi li appoggiò quando, nel 1951, Stalin decise l'inizio degli studi sulla fusione nucleare in Unione Sovietica. L'idea base del Tokamak era infatti quella di confinare un gas ad alta temperatura (che quindi è completamente ionizzato e si chiama plasma) con dei campi magnetici, per ottenere energia dalla fusione nucleare controllata.

In Occidente questa configurazione era ignota, in quanto le ricerche sulla fusione erano tenute segrete. Fu solo nel 1955 che gli Stati Uniti, alla Conferenza internazionale sull'uso pacifico dell'energia atomica a Ginevra, scoprirono l'esistenza del Tokamak, e solo alla Seconda conferenza di Ginevra (1958) furono resi noti i dettagli di come costruire una macchina basandosi sul principio del Tokamak russo.

Nel 1968, alla terza Conferenza internazionale sull'uso e controllo del plasma e della fusione nucleare a Novosibirsk, gli scienziati russi resero noto di avere raggiunto una temperatura degli elettroni di oltre 11.000.000 °C (1000 elettronvolt, 1 elettronvolt=11332°C). Questo sbaragliò gli scienziati britannici ed americani, che erano lontani dal raggiungere tali prestazioni. Rimasero sospettosi finché i test furono effettuati con il laser, confermando la temperatura effettivamente raggiunta dai Russi.

Poiché tali prestazioni erano superiori a quelle ottenute fino ad allora, gli scienziati di tutto il mondo continuarono i test sulla fusione utilizzando il tokamak introdotto dai Russi. Il Tokamak è infatti considerato come una delle più promettenti vie per generare energia tramite fusione nucleare: alcuni fra i più grandi esperimenti di fusione, come il JET, FTU a Frascati (Roma) e ASDEX in Europa, JT-60 in Giappone, TFTR, DIII-D e Alcator C-mod in USA sono tutti dei Tokamak. È infine un Tokamak anche l'ambizioso progetto di proto-reattore nucleare a fusione ITER del CERN, la cui costruzione (a Cadarache, in Francia) è stata recentemente approvata (il 21 novembre 2006).

In un tokamak, come condizione iniziale viene creato un vuoto spinto o ultraspinto, mediante apposite pompe a vuoto. L'accensione della corrente del plasma nel contenitore toroidale avviene in tre tempi:

1) si immette corrente nelle bobine del campo toroidale;
2) in seguito, viene immessa una piccolissima quantità di gas (generalmente idrogeno o suoi isotopi) di cui si vogliano studiare le proprietà.
3) si immette corrente nel solenoide, è una bobina cilindrica avvolta da spire di un conduttore elettrico, che occupa il buco centrale del toro (la ciambella), creando un flusso nel nucleo del Tokamak: esso costituisce il circuito primario di un trasformatore, di cui il toro costituisce il circuito secondario;
la corrente nel primario viene fatta rapidamente calare, e questo crea una forza elettromotrice. Gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri.
il gas non è più neutro, ma è diventato plasma: a questo punto la corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda il plasma a temperature anche molto elevate (qualche milione di gradi).

Se il gas introdotto nel Tokamak è una miscela di deuterio e trizio, si possono allora studiare le reazioni di fusione termonucleare dei plasmi ricreando per certi versi l'ambiente che si ha all'interno delle stelle.

La speranza è quella di ottenere l'ignizione del plasma, un fenomeno che si autososterrebbe, per poter estrarre energia da fusione nucleare, un'energia enorme che non lascia scorie radioattive né è passibile di esplosioni o fughe di radiazione e in tal senso è un'energia completamente "pulita" ed inesauribile.

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Murmansk