Kärnfusion
Kärnfusion förenar lätta atomkärnor till tyngre kärnor. För tillräckligt lätta grundämnen kan produkterna vara starkare bundna per nukleon, så reaktionen frigör energi. Den centrala svårigheten är att få positivt laddade kärnor tillräckligt nära varandra för att den kortverkande kärnkraften ska kunna verka.
Coulombbarriären
Två positivt laddade kärnor repellerar varandra elektriskt. Högre temperatur ökar jonernas typiska kinetiska energier och antalet nära möten, men tar inte bort barriären. Kvanttunnling är avgörande: kärnor kan ha en ändlig sannolikhet att nå fusionsavstånd även när deras klassiska energi ligger under toppen av den elektrostatiska barriären.
En referensreaktion: deuterium och tritium
En ofta diskuterad laboratoriereaktion är ²H + ³H → ⁴He + n. Den frigör cirka 17,6 MeV: ungefär 3,5 MeV går till heliumkärnan och 14,1 MeV till neutronen. Neutronen är neutral och innesluts därför inte magnetiskt tillsammans med det laddade plasmat.
Temperatur, densitet och inneslutning spelar alla roll
Ett fusionsplasma måste innehålla tillräckligt många reagerande joner med en lämplig energifördelning under tillräckligt lång tid för att fusionsproduktionen ska kunna konkurrera med energiförlusterna. Det är tanken bakom Lawsonkriteriet och relaterade mått på trippelprodukten. En spektakulär temperatur i sig är inget bevis för att ett plasma producerar nettoenergi.
Stjärnor och laboratorieplasma är inte samma fall
Solen hålls samman av gravitationen och omvandlar huvudsakligen väte till helium via proton-protonkedjan. Jordbaserad fusionsforskning fokuserar ofta på andra reaktioner och använder magnetisk inneslutning eller snabb kompression. Dessa system följer olika tekniska vägar, men den grundläggande fysiken är densamma: tillräckligt många nära kärnmöten måste ske innan plasmat förlorar sin användbara energi.
Genomräknade exempel
1. Kontrollera nukleonbokföringen
Lösning
För ²H + ³H → ⁴He + n ger masstalen 2 + 3 = 5 till vänster och 4 + 1 = 5 till höger. Elektrisk laddning bevaras också: 1 + 1 = 2 + 0.
2. Varför räcker inte temperaturen?
Lösning
Temperaturen beskriver jonernas energifördelning, men fusionsutbytet beror också på densitet och inneslutningstid. Ett varmt men extremt glest och kortlivat plasma kan ändå producera mycket lite fusion.
3. Använd ett Q-värde
Lösning
Om en reaktion har en massdefekt på 0,010 u och 1 u c² ≈ 931,5 MeV är Q ≈ 0,010 × 931,5 = 9,32 MeV.