Kernfusie
Kernfusie voegt lichte kernen samen tot zwaardere kernen. Voor voldoende lichte elementen kunnen de producten sterker gebonden zijn per nucleon, zodat de reactie energie vrijmaakt. De centrale moeilijkheid is positief geladen kernen dicht genoeg bij elkaar brengen zodat de kortbereik-kernkracht kan werken.
De Coulombbarrière
Twee positief geladen kernen stoten elkaar elektrisch af. Een hogere temperatuur verhoogt de typische kinetische energieën van ionen en het aantal zeer nabije ontmoetingen, maar verwijdert de barrière niet. Kwantumtunneling is cruciaal: kernen kunnen een eindige kans hebben om fusieafstanden te bereiken, zelfs wanneer hun klassieke energie onder de top van de elektrostatische barrière ligt.
Een referentiereactie: deuterium en tritium
Een veelbesproken laboratoriumreactie is ²H + ³H → ⁴He + n. Daarbij komt ongeveer 17,6 MeV vrij: circa 3,5 MeV gaat naar de heliumkern en 14,1 MeV naar het neutron. Het neutron is elektrisch neutraal en wordt daarom niet magnetisch opgesloten samen met het geladen plasma.
Temperatuur, dichtheid en opsluiting zijn allemaal belangrijk
Een fusieplasma moet genoeg reagerende ionen bevatten, met een geschikte energieverdeling, en lang genoeg bestaan zodat fusieproductie kan concurreren met energieverliezen. Dat is de gedachte achter het Lawsoncriterium en verwante tripelproductmaten. Alleen een spectaculaire temperatuur bewijst niet dat een plasma netto energie produceert.
Sterren en laboratoriumplasma’s zijn niet hetzelfde geval
De zon wordt door zwaartekracht bijeengehouden en zet waterstof hoofdzakelijk via de proton-protonketen om in helium. Aards fusieonderzoek richt zich vaak op andere reacties en gebruikt magnetische opsluiting of snelle compressie. Deze systemen volgen verschillende technische routes, maar de fundamentele fysica blijft dezelfde: er moeten voldoende nauwe kernontmoetingen plaatsvinden voordat het plasma zijn bruikbare energie verliest.
Uitgewerkte voorbeelden
1. Controleer de nucleonenbalans
Oplossing
Voor ²H + ³H → ⁴He + n geven de massagetallen links 2 + 3 = 5 en rechts 4 + 1 = 5. Ook de elektrische lading blijft behouden: 1 + 1 = 2 + 0.
2. Waarom is temperatuur niet voldoende?
Oplossing
Temperatuur beschrijft de energieverdeling van de ionen, maar de fusieopbrengst hangt ook af van dichtheid en opsluitingstijd. Een heet maar extreem ijl en kortlevend plasma kan nog steeds weinig fusie produceren.
3. Gebruik een Q-waarde
Oplossing
Als een reactie een massadefect van 0,010 u heeft en 1 u c² ≈ 931,5 MeV, dan is Q ≈ 0,010 × 931,5 = 9,32 MeV.