Fuzja jądrowa

Bariera kulombowska nie znika przy wysokiej temperaturze

Dodatnio naładowane jądra odpychają się elektrostatycznie. Wyższa temperatura zwiększa typowe energie kinetyczne i liczbę bliskich zderzeń, lecz nie usuwa bariery. Tunelowanie kwantowe daje skończone prawdopodobieństwo dotarcia do odległości fuzji nawet poniżej klasycznego wierzchołka bariery.

Reakcja deuter–tryt jest ważnym punktem odniesienia

²H + ³H → ⁴He + n uwalnia około 17,6 MeV. Około 3,5 MeV niesie jądro helu, a 14,1 MeV neutron. Neutron jest elektrycznie obojętny, więc nie jest magnetycznie uwięziony wraz z naładowaną plazmą i oddaje energię materiałom otaczającym plazmę.

Energia wynika ze zmiany energii wiązania

Samo „łączenie jąder” nie gwarantuje wydzielania energii. Uwalnianie następuje wtedy, gdy produkty mają mniejszą masę spoczynkową i większą energię wiązania na nukleon; różnica masy daje Q=Δmc². Dla cięższych jąder kierunek korzystny energetycznie może być inny.

Temperatura, gęstość i uwięzienie działają razem

Plazma musi zawierać wystarczająco dużo reagujących jonów, o odpowiednim rozkładzie energii, przez dostatecznie długi czas. To sens kryterium Lawsona i wielkości potrójnego iloczynu. Bardzo wysoka temperatura sama nie dowodzi dodatniego bilansu energetycznego.

Gwiazdy i laboratoria nie są tym samym układem

Słońce jest uwięzione grawitacyjnie i przetwarza wodór w hel głównie przez łańcuch proton–proton. Laboratoria często badają inne reakcje i stosują uwięzienie magnetyczne albo szybkie ściskanie inercyjne. Wspólna fizyka to konieczność wystarczającej liczby bliskich spotkań jąder.

Moc fuzji nie jest tym samym co energia netto elektrowni

Można wytwarzać reakcje fuzji, a jednocześnie zużywać więcej energii na ogrzewanie, magnesy, lasery, chłodzenie i instalacje pomocnicze. Trzeba rozróżniać zysk w samej plazmie, zysk całego eksperymentu oraz netto energię elektryczną całej instalacji.

Zachowanie nukleonów i ładunku to pierwszy test

Każde równanie reakcji musi zachowywać liczbę nukleonów i ładunek elektryczny. Dla D–T liczby masowe dają 2+3=4+1, a ładunki 1+1=2+0. Dopiero po tym bilansie sensownie oblicza się Q z różnicy mas.

Dlaczego przekrój czynny i rozkład energii są ważne

Jony w plazmie nie mają jednej energii. Mają rozkład, a prawdopodobieństwo reakcji zależy silnie od energii zderzenia poprzez przekrój czynny. Użyteczna szybkość reakcji wynika więc z uśrednienia σv po rozkładzie prędkości, a nie z podstawienia jednej „temperaturowej” energii. To wyjaśnia, dlaczego dobór paliwa, domieszki, straty promieniowania i kształt rozkładu mogą wpływać na wydajność nawet przy tej samej średniej temperaturze. W reaktorze znaczenie ma także los energii produktów: naładowane cząstki mogą ogrzewać plazmę, neutrony opuszczają pole magnetyczne i obciążają materiały oraz układ odbioru ciepła.

Przykłady rozwiązane

Bilans D–T

Rozwiązanie

Dla ²H+³H→⁴He+n zachowują się liczby masowe 5=5 i ładunek 2=2.

Ubytek 0,010 u

Rozwiązanie

Przy 1 u c²≈931,5 MeV otrzymujemy Q≈9,32 MeV.

Dlaczego temperatura nie wystarcza

Rozwiązanie

Wydajność zależy także od gęstości i czasu uwięzienia; gorąca, bardzo rzadka plazma może dawać mało fuzji.