Jaderná fúze

Coulombova bariéra vysokou teplotou nezmizí

Kladně nabitá jádra se elektricky odpuzují. Vyšší teplota zvyšuje typické kinetické energie a počet těsných srážek, ale bariéru neodstraňuje. Kvantové tunelování dává nenulovou pravděpodobnost dosáhnout fúzních vzdáleností i pod klasickým vrcholem bariéry.

Deuterium–tritium je důležitá referenční reakce

²H + ³H → ⁴He + n uvolní asi 17,6 MeV. Přibližně 3,5 MeV odnese jádro helia a 14,1 MeV neutron. Neutron je neutrální, takže není magneticky udržován s nabitou plazmou a předává energii okolním materiálům.

Energie pochází ze změny vazebné energie

Samotné spojování jader nezaručuje výdej energie. Energie se uvolní tehdy, když produkty mají menší klidovou hmotnost a větší vazebnou energii na nukleon; hmotnostní rozdíl dává Q=Δmc².

Teplota, hustota a udržení působí společně

Plazma musí obsahovat dost reagujících iontů s vhodným rozdělením energií po dostatečně dlouhou dobu. To je logika Lawsonova kritéria a trojného součinu. Samotná extrémní teplota není důkazem kladné energetické bilance.

Hvězdy a laboratoře nejsou stejný systém

Slunce je gravitačně vázané a mění vodík na helium hlavně proton–protonovým řetězcem. Laboratoře často používají jiné reakce a magnetické nebo inerciální udržení. Společná fyzika vyžaduje dost blízkých jaderných setkání před ztrátou energie plazmy.

Fúzní výkon není totéž co čistá elektřina

Experiment může produkovat fúzní reakce a přitom spotřebovávat více energie na ohřev, magnety, lasery, chlazení a pomocné systémy. Je nutné rozlišovat zisk v plazmě, zisk celého experimentu a čistou elektrickou energii zařízení.

Zachování nukleonů a náboje je první kontrola

Každá reakční rovnice musí zachovat počet nukleonů a elektrický náboj. Pro D–T platí 2+3=4+1 a 1+1=2+0. Teprve po této kontrole má smysl počítat Q z hmotnostního defektu.

Proč jsou účinný průřez a rozdělení energií důležité

Ionty v plazmatu nemají jednu jedinou energii. Mají rozdělení a pravděpodobnost reakce silně závisí na srážkové energii prostřednictvím účinného průřezu. Užitečná rychlost reakce proto vychází z průměru σv přes rozdělení rychlostí, nikoli z dosazení jedné „teplotní“ energie. To vysvětluje, proč volba paliva, příměsi, radiační ztráty a tvar rozdělení ovlivňují výkon i při stejné střední teplotě. V reaktoru je důležitý také osud energie produktů: nabité částice mohou ohřívat plazma, neutrony opouštějí magnetické pole a zatěžují materiály i systém odvodu tepla.

Řešené příklady

Bilance D–T

Řešení

Pro ²H+³H→⁴He+n se zachovává hmotnostní číslo 5=5 i náboj 2=2.

Defekt 0,010 u

Řešení

Při 1 u c²≈931,5 MeV vychází Q≈9,32 MeV.

Proč teplota nestačí

Řešení

Výtěžek závisí také na hustotě a době udržení; horká, velmi řídká plazma může fúzovat málo.