Ydinfuusio
Ydinfuusiossa kevyet ytimet yhdistyvät raskaammaksi ytimeksi. Kun tuotteilla on suurempi sidosenergia nukleonia kohti, kokonaislepomassa pienenee ja erotus vapautuu energiana. Haasteena on saada positiivisesti varautuneet ytimet riittävän lähelle Coulombin hylkimisestä huolimatta.
Lämpötila on jakauma
Korkea lämpötila ei tarkoita samaa energiaa kaikille ioneille. Plasmassa on laaja nopeus- ja energiajakauma. Vain osa hiukkasista saavuttaa energioita, joilla lähestyminen on riittävää, ja kvanttitunnelointi täydentää mahdollisuuden läpäistä Coulombin este.
Gamow-ikkuna
Hyvin energisiä hiukkasia on vähän mutta ne tunneloituvat helpommin; matalaenergisiä on paljon mutta niiden läpäisy on pieni. Näiden tekijöiden tulo muodostaa energia-alueen, jolla suurin osa reaktioista tapahtuu. Tätä aluetta kutsutaan Gamow-ikkunaksi.
Plasman koossapito
Fuusiolämpötilassa aine on ionisoitunutta. Magneettinen koossapito ohjaa varattuja hiukkasia kentillä, kun taas inertiaalinen koossapito puristaa pienen polttoainekohteen nopeasti suureen tiheyteen. Molemmissa tapauksissa tavoitteena on riittävä lämpötila, tiheys ja koossapitoaika.
Lawsonin ehto
Yksi suuri lämpötila-arvo ei vielä takaa nettoenergiaa. Jos tiheys on liian pieni, törmäyksiä on liian harvoin; jos energia karkaa liian nopeasti, plasma jäähtyy. Lawsonin kriteeri kokoaa tärkeät suureet yhteen ja määrittää suuntaa kohti energiataseen kannalta käyttökelpoista tilaa.
D–T-reaktio
Deuteriumin ja tritiumin fuusio tuottaa helium-4-ytimen ja neutronin. Neutroni kantaa suuren osan energiasta eikä pysy magneettikentässä. Se lämmittää rakenteita mutta samalla vaurioittaa materiaaleja, aktivoi niitä ja tekee seinämien kestävyydestä keskeisen teknisen ongelman.
Tähdet
Tähdissä gravitaatio tarjoaa suuren paineen ja erittäin pitkän koossapitoajan. Auringon protoni-protoni-ketjun ensimmäiset vaiheet ovat heikon vuorovaikutuksen vuoksi hitaita. Juuri tämä hitaus mahdollistaa tasaisen energiantuoton miljardien vuosien ajan.
Koko järjestelmän energiatase
Fuusioreaktioiden havaitseminen ei vielä tarkoita, että voimalaitos tuottaa nettosähköä. On erotettava plasman tuottama fuusioteho, plasmaan syötetty energia ja koko laitoksen magneettien, laserien, jäähdytyksen ja apujärjestelmien kulutus.
Polttoainekierto
Fuusiolaitoksen polttoaine ei ole vain plasmapulssi. Deuteriumia voidaan saada vedestä, mutta tritium on radioaktiivista ja sitä on luonnossa vähän. Siksi D–T-konseptissa ajatellaan usein litiumia sisältävää vaippaa, jossa fuusion neutronit voivat tuottaa uutta tritiumia. Todellinen polttoainekierto sisältää siis tuotannon, erotuksen, varastoinnin, vuotojen hallinnan ja turvallisuuden.
Harjoitus
Miksi suuri plasman lämpötila ei yksin riitä hyödylliseen fuusioon?
Ratkaisu
Tarvitaan myös riittävä hiukkastiheys ja riittävän pitkä energia-koossapitoaika. Lawsonin ehto yhdistää nämä tekijät.