Fusió nuclear
La fusió nuclear uneix nuclis lleugers per formar nuclis més pesants. Per a elements prou lleugers, els productes poden quedar més fortament lligats per nucleó i la reacció allibera energia. La dificultat central és acostar prou els nuclis carregats positivament perquè actuï la força nuclear de curt abast.
La barrera de Coulomb
Dos nuclis amb càrrega positiva es repel·leixen elèctricament. Una temperatura més alta augmenta les energies cinètiques típiques dels ions i el nombre de trobades molt pròximes, però no elimina la barrera. L’efecte túnel quàntic és essencial: els nuclis poden tenir una probabilitat finita d’arribar a distàncies de fusió encara que la seva energia clàssica sigui inferior al màxim de la barrera electrostàtica.
Una reacció de referència: deuteri i triti
Una reacció de laboratori estudiada habitualment és ²H + ³H → ⁴He + n. Allibera aproximadament 17,6 MeV: uns 3,5 MeV van al nucli d’heli i 14,1 MeV al neutró. El neutró és neutre i, per tant, no queda confinat magnèticament amb el plasma carregat.
Temperatura, densitat i confinament són tots importants
Un plasma de fusió ha de contenir prou ions reactius, amb una distribució d’energies adequada, durant prou temps perquè la producció per fusió pugui competir amb les pèrdues d’energia. Aquesta és la lògica del criteri de Lawson i de mesures relacionades com el producte triple. Una temperatura espectacular, tota sola, no demostra que un plasma produeixi energia neta.
Les estrelles i els plasmes de laboratori no són el mateix cas
El Sol està confinat per la gravetat i converteix principalment hidrogen en heli mitjançant la cadena protó-protó. La recerca terrestre sobre fusió sol centrar-se en altres reaccions i utilitza confinament magnètic o compressió ràpida. Aquests sistemes segueixen vies d’enginyeria diferents, però la física bàsica és la mateixa: s’han de produir prou trobades nuclears pròximes abans que el plasma perdi l’energia útil.
Exemples resolts
1. Comprovar el recompte de nucleons
Solució
Per a ²H + ³H → ⁴He + n, els nombres màssics donen 2 + 3 = 5 a l’esquerra i 4 + 1 = 5 a la dreta. La càrrega elèctrica també es conserva: 1 + 1 = 2 + 0.
2. Per què la temperatura no és suficient?
Solució
La temperatura descriu la distribució d’energia dels ions, però el rendiment de fusió també depèn de la densitat i el temps de confinament. Un plasma calent però extremadament diluït i de vida curta encara pot produir molt poca fusió.
3. Utilitzar un valor Q
Solució
Si una reacció té un defecte de massa de 0,010 u i 1 u c² ≈ 931,5 MeV, aleshores Q ≈ 0,010 × 931,5 = 9,32 MeV.