Nuklearna fuzija

Coulombova barijera ne nestaje pri visokoj temperaturi

Pozitivno nabijene jezgre električno se odbijaju. Viša temperatura povećava tipične kinetičke energije i broj bliskih susreta, ali ne uklanja barijeru. Kvantno tuneliranje daje konačnu vjerojatnost dosezanja fuzijskih udaljenosti i ispod klasičnog vrha barijere.

Deuterij–tricij važna je referentna reakcija

²H + ³H → ⁴He + n oslobađa oko 17,6 MeV. Oko 3,5 MeV odnosi jezgra helija, a 14,1 MeV neutron. Neutron je neutralan pa se magnetski ne zadržava s nabijenom plazmom i energiju predaje okolnim materijalima.

Energija dolazi iz promjene energije vezanja

Samo spajanje jezgri ne jamči oslobađanje energije. Energija se oslobađa kada produkti imaju manju masu mirovanja i veću energiju vezanja po nukleonu; razlika mase daje Q=Δmc².

Temperatura, gustoća i zadržavanje djeluju zajedno

Plazma mora sadržavati dovoljno reaktivnih iona s prikladnom raspodjelom energija dovoljno dugo. To je logika Lawsonova kriterija i trostrukog produkta. Sama ekstremna temperatura nije dokaz pozitivne energetske bilance.

Zvijezde i laboratoriji nisu isti sustav

Sunce je gravitacijski zadržano i vodik u helij pretvara uglavnom proton–protonskim lancem. Laboratoriji često koriste druge reakcije te magnetsko ili inercijsko zadržavanje. Zajednička fizika traži dovoljno bliskih susreta jezgri prije gubitka energije plazme.

Fuzijska snaga nije isto što i neto električna energija

Pokus može proizvoditi fuzijske reakcije i istodobno trošiti više energije na grijanje, magnete, lasere, hlađenje i pomoćne sustave. Treba razlikovati dobitak u plazmi, dobitak cijelog pokusa i neto električnu energiju postrojenja.

Očuvanje nukleona i naboja prvi je test

Svaka reakcijska jednadžba mora očuvati broj nukleona i električni naboj. Za D–T vrijedi 2+3=4+1 i 1+1=2+0. Tek nakon te provjere ima smisla računati Q iz defekta mase.

Zašto su reakcijski presjek i raspodjela energija važni

Ioni u plazmi nemaju jednu jedinu energiju. Imaju raspodjelu, a vjerojatnost reakcije snažno ovisi o energiji sudara preko reakcijskog presjeka. Korisna brzina reakcije zato proizlazi iz prosjeka σv preko raspodjele brzina, a ne iz jedne „temperaturne“ energije. To objašnjava zašto izbor goriva, primjese, radijacijski gubici i oblik raspodjele mogu mijenjati učinak i pri istoj srednjoj temperaturi. U reaktoru je važna i sudbina energije produkata: nabijene čestice mogu grijati plazmu, dok neutroni napuštaju magnetsko polje i opterećuju materijale te sustav odvođenja topline.

Riješeni primjeri

Bilanca D–T

Rješenje

Za ²H+³H→⁴He+n očuvani su maseni broj 5=5 i naboj 2=2.

Defekt 0,010 u

Rješenje

Uz 1 u c²≈931,5 MeV dobivamo Q≈9,32 MeV.

Zašto temperatura nije dovoljna

Rješenje

Prinos ovisi i o gustoći i vremenu zadržavanja; vruća, vrlo rijetka plazma može dati malo fuzije.