Jadrová fúzia

Coulombova bariéra vysokou teplotou nezmizne

Kladne nabité jadrá sa elektricky odpudzujú. Vyššia teplota zvyšuje typické kinetické energie a počet tesných zrážok, ale bariéru neodstraňuje. Kvantové tunelovanie dáva nenulovú pravdepodobnosť dosiahnuť fúzne vzdialenosti aj pod klasickým vrcholom bariéry.

Deutérium–trícium je dôležitá referenčná reakcia

²H + ³H → ⁴He + n uvoľní asi 17,6 MeV. Približne 3,5 MeV odnesie jadro hélia a 14,1 MeV neutrón. Neutrón je neutrálny, takže nie je magneticky udržiavaný s nabitou plazmou a odovzdáva energiu okolitým materiálom.

Energia pochádza zo zmeny väzbovej energie

Samotné spájanie jadier nezaručuje výdaj energie. Energia sa uvoľní vtedy, keď produkty majú menšiu pokojovú hmotnosť a väčšiu väzbovú energiu na nukleón; hmotnostný rozdiel dáva Q=Δmc².

Teplota, hustota a udržanie pôsobia spoločne

Plazma musí obsahovať dosť reagujúcich iónov s vhodným rozdelením energií počas dostatočne dlhého času. To je logika Lawsonovho kritéria a trojného súčinu. Samotná extrémna teplota nie je dôkazom kladnej energetickej bilancie.

Hviezdy a laboratóriá nie sú rovnaký systém

Slnko je gravitačne viazané a mení vodík na hélium hlavne protón–protónovým reťazcom. Laboratóriá často používajú iné reakcie a magnetické alebo inerciálne udržanie. Spoločná fyzika vyžaduje dosť blízkych jadrových stretnutí pred stratou energie plazmy.

Fúzny výkon nie je čistá elektrina

Experiment môže produkovať fúzne reakcie a pritom spotrebúvať viac energie na ohrev, magnety, lasery, chladenie a pomocné systémy. Treba rozlišovať zisk v plazme, zisk celého experimentu a čistú elektrickú energiu zariadenia.

Zachovanie nukleónov a náboja je prvá kontrola

Každá reakčná rovnica musí zachovať počet nukleónov a elektrický náboj. Pre D–T platí 2+3=4+1 a 1+1=2+0. Až po tejto kontrole má zmysel počítať Q z hmotnostného defektu.

Prečo sú účinný prierez a rozdelenie energií dôležité

Ióny v plazme nemajú jednu jedinú energiu. Majú rozdelenie a pravdepodobnosť reakcie silno závisí od zrážkovej energie prostredníctvom účinného prierezu. Užitočná rýchlosť reakcie preto vychádza z priemeru σv cez rozdelenie rýchlostí, nie z dosadenia jednej „teplotnej“ energie. To vysvetľuje, prečo voľba paliva, prímesi, radiačné straty a tvar rozdelenia ovplyvňujú výkon aj pri rovnakej strednej teplote. V reaktore je dôležitý aj osud energie produktov: nabité častice môžu zohrievať plazmu, neutróny opúšťajú magnetické pole a zaťažujú materiály aj systém odvodu tepla.

Vyriešené príklady

Bilancia D–T

Riešenie

Pre ²H+³H→⁴He+n sa zachováva hmotnostné číslo 5=5 aj náboj 2=2.

Defekt 0,010 u

Riešenie

Pri 1 u c²≈931,5 MeV vychádza Q≈9,32 MeV.

Prečo teplota nestačí

Riešenie

Výťažok závisí aj od hustoty a času udržania; horúca, veľmi riedka plazma môže fúzovať málo.