Jedrska fuzija

Coulombova pregrada pri visoki temperaturi ne izgine

Pozitivno nabita jedra se električno odbijajo. Višja temperatura poveča značilne kinetične energije in število tesnih srečanj, vendar pregrade ne odstrani. Kvantno tuneliranje daje končno verjetnost doseči fuzijske razdalje tudi pod klasičnim vrhom pregrade.

Devterij–tricij je pomembna referenčna reakcija

²H + ³H → ⁴He + n sprosti približno 17,6 MeV. Okoli 3,5 MeV odnese jedro helija, 14,1 MeV pa nevtron. Nevtron je nevtralen, zato ga magnetno polje ne zadrži skupaj z nabito plazmo in energijo odda okoliškim materialom.

Energija izvira iz spremembe vezavne energije

Samo združevanje jeder ne zagotavlja sproščanja energije. Energija se sprosti, kadar imajo produkti manjšo mirovno maso in večjo vezavno energijo na nukleon; masna razlika da Q=Δmc².

Temperatura, gostota in zadrževanje delujejo skupaj

Plazma mora vsebovati dovolj reaktivnih ionov z ustrezno porazdelitvijo energij dovolj dolgo. To je logika Lawsonovega kriterija in trojnega produkta. Izjemno visoka temperatura sama ni dokaz pozitivne energijske bilance.

Zvezde in laboratoriji niso isti sistem

Sonce zadržuje gravitacija in vodik v helij pretvarja predvsem s protonsko-protonsko verigo. Laboratoriji pogosto uporabljajo druge reakcije ter magnetno ali inercialno zadrževanje. Skupna fizika zahteva dovolj bližnjih srečanj jeder pred izgubo energije plazme.

Fuzijska moč ni isto kot neto elektrika

Poskus lahko proizvaja fuzijske reakcije in hkrati porabi več energije za segrevanje, magnete, laserje, hlajenje in pomožne sisteme. Ločiti moramo ojačenje v plazmi, ojačenje celotnega poskusa in neto električno energijo naprave.

Ohranitev nukleonov in naboja je prvi preizkus

Vsaka reakcijska enačba mora ohraniti število nukleonov in električni naboj. Za D–T velja 2+3=4+1 in 1+1=2+0. Šele po tem preverjanju smiselno računamo Q iz masnega primanjkljaja.

Zakaj sta reakcijski presek in porazdelitev energij pomembna

Ioni v plazmi nimajo ene same energije. Imajo porazdelitev, verjetnost reakcije pa je močno odvisna od trčne energije prek reakcijskega preseka. Uporabna hitrost reakcije zato izhaja iz povprečja σv po porazdelitvi hitrosti, ne iz ene „temperaturne“ energije. To pojasni, zakaj izbira goriva, nečistoče, sevalne izgube in oblika porazdelitve vplivajo na izkoristek tudi pri isti povprečni temperaturi. V reaktorju je pomembna tudi usoda energije produktov: nabiti delci lahko ogrevajo plazmo, nevtroni pa zapustijo magnetno polje ter obremenjujejo materiale in sistem za odvod toplote.

Rešeni primeri

Bilanca D–T

Rešitev

Za ²H+³H→⁴He+n se ohranita masno število 5=5 in naboj 2=2.

Primanjkljaj 0,010 u

Rešitev

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

Zakaj temperatura ni dovolj

Rešitev

Izplen je odvisen tudi od gostote in časa zadrževanja; vroča, zelo redka plazma lahko da malo fuzije.