Kjernefysisk fusjon
Kjernefusjon slår sammen lette atomkjerner til tyngre kjerner. For tilstrekkelig lette grunnstoffer kan dette frigjøre energi fordi sluttproduktet er sterkere bundet per nukleon. Den store utfordringen er å få positivt ladede kjerner nær nok hverandre til at den sterke kjernekraften kan overvinne den elektriske frastøtingen.
Coulomb-barrieren
To positive kjerner frastøter hverandre elektrisk. Høy plasmatemperatur øker den typiske bevegelsesenergien til ionene og dermed antallet nære møter, men barrieren forsvinner ikke. Kvantetunnelering er avgjørende: kjerner har en endelig sannsynlighet for å trenge gjennom barrieren selv når den klassiske kollisjonsenergien er lavere enn barrierehøyden.
Deuterium–tritium som eksempel
En mye studert reaksjon er ²H + ³H → ⁴He + n. Produktene har lavere samlet hvilemasse enn utgangskjernene, og omtrent 17,6 MeV frigjøres. Omtrent 3,5 MeV går til heliumkjernen og 14,1 MeV til nøytronet. Nøytronet er elektrisk nøytralt og kan derfor ikke holdes inne av magnetfelt på samme måte som de ladede plasmapartiklene.
Hvorfor lette kjerner kan frigjøre energi
Forklaringen ligger i bindingsenergi per nukleon. Fra hydrogen og opp mot jernområdet øker denne størrelsen generelt. Fusjon av lette kjerner kan derfor flytte systemet til en sterkere bundet tilstand med lavere total hvilemasse. Påstanden «sammenslåing frigjør alltid energi» er derimot feil; for tyngre kjerner forsvinner denne fordelen.
Temperatur er ikke nok
Et fusjonsplasma må inneholde nok reagerende ioner og holde på energien lenge nok til at fusjonsoppvarming kan konkurrere med tapene. Lawson-kriteriet og det såkalte trippelproduktet kombinerer derfor tetthet, temperatur og energiinneslutningstid. Ekstrem temperatur alene sier lite om netto energigevinst hvis plasmaet er for tynt eller kjøles svært raskt.
Stjerner og laboratorier
Stjerner bruker gravitasjon til å holde enorme mengder plasma samlet over svært lange tider. I sola foregår hydrogenfusjonen hovedsakelig gjennom proton–proton-kjeden. På jorda undersøkes andre reaksjoner og andre former for inneslutning, blant annet magnetiske felt og svært rask kompresjon. Fysikken er likevel den samme: det må skje nok vellykkede kjernekollisjoner før energien går tapt.
Øvelse
Et plasma har svært høy temperatur, men svært lav tetthet og mister energien nesten umiddelbart. Hvorfor kan fusjonsutbyttet fortsatt være lite?
Løsning
Høy temperatur øker sannsynligheten for energirike kollisjoner, men reaksjonsraten avhenger også av hvor mange ioner som finnes og hvor lenge energien holdes inne. Lav tetthet og kort inneslutningstid kan derfor oppveie fordelen ved høy temperatur.