Kernefusion

Kernefusion samler lette atomkerner til tungere kerner. For tilstrækkeligt lette grundstoffer kan produkterne være stærkere bundet pr. nukleon, så reaktionen frigiver energi. Den centrale vanskelighed er at få positivt ladede kerner tæt nok på hinanden til, at den korttrækkende kernekraft kan virke.

Coulomb-barrieren

To positivt ladede kerner frastøder hinanden elektrisk. Højere temperatur øger ionernes typiske kinetiske energi og antallet af tætte møder, men fjerner ikke barrieren. Kvantetunnelering er afgørende: kerner kan have en endelig sandsynlighed for at nå fusionsafstande, selv når deres klassiske energi ligger under toppen af den elektrostatiske barriere.

++tunnelvejelektrostatisk barriere
Høj temperatur hjælper, men tunnelering er stadig en del af fysikken. Fusion sker kun, når kerner nærmer sig hinanden til meget korte afstande.

En referencereaktion: deuterium og tritium

En ofte omtalt laboratoriereaktion er ²H + ³H → ⁴He + n. Den frigiver cirka 17,6 MeV: omtrent 3,5 MeV går til heliumkernen og 14,1 MeV til neutronen. Neutronen er neutral og bliver derfor ikke magnetisk indesluttet sammen med det ladede plasma.

lette kernerstærkere bundetmassetal
Fusion frigiver energi, når lette kerner flyttes mod stærkere bundne produkter. “At kombinere kerner” er ikke i sig selv årsagen.

Temperatur, tæthed og indeslutning har alle betydning

Et fusionsplasma skal indeholde nok reagerende ioner med en passende energifordeling i lang nok tid til, at fusionsproduktionen kan konkurrere med energitabet. Det er logikken bag Lawson-kriteriet og beslægtede mål for tripelproduktet. En spektakulær temperatur alene er ikke bevis for, at et plasma producerer nettoenergi.

Stjerner og laboratorieplasmaer er ikke samme tilfælde

Solen holdes sammen af tyngdekraften og omdanner hovedsageligt hydrogen til helium gennem proton-proton-kæden. Jordbaseret fusionsforskning fokuserer ofte på andre reaktioner og bruger magnetisk indeslutning eller hurtig kompression. Disse systemer følger forskellige ingeniørmæssige veje, men den grundlæggende fysik er den samme: der skal ske nok tætte kernemøder, før plasmaet mister sin nyttige energi.

Gennemregnede eksempler

1. Kontroller nukleonregnskabet

Løsning

For ²H + ³H → ⁴He + n giver massetallene 2 + 3 = 5 til venstre og 4 + 1 = 5 til højre. Elektrisk ladning er også bevaret: 1 + 1 = 2 + 0.

2. Hvorfor er temperatur ikke nok?

Løsning

Temperaturen beskriver ionernes energifordeling, men fusionsudbyttet afhænger også af tæthed og indeslutningstid. Et varmt, men ekstremt tyndt og kortlivet plasma kan stadig producere meget lidt fusion.

3. Brug en Q-værdi

Løsning

Hvis en reaktion har en massedefekt på 0,010 u og 1 u c² ≈ 931,5 MeV, er Q ≈ 0,010 × 931,5 = 9,32 MeV.