Energie uvolněná při fúzních reakcích
Rychlost a výtěžnost fúzních reakcí
Energetický výtěžek reakce mezi jádry a rychlost těchto reakcí jsou důležité. Tyto veličiny mají zásadní vliv ve vědeckých oblastech, jako je jaderná astrofyzika a možnosti jaderné výroby elektrické energie.
Když částice jednoho typu prochází souborem částic stejného nebo jiného typu, existuje měřitelná šance, že částice budou interagovat. Částice mohou interagovat mnoha způsoby, například prostým rozptylem, což znamená, že změní směr a vymění si energii, nebo mohou projít jadernou fúzní reakcí. Míra pravděpodobnosti, že částice budou interagovat, se nazývá průřez a velikost průřezu závisí na typu interakce a stavu a energii částic. Součin průřezu a atomové hustoty cílové částice se nazývá makroskopický průřez. Inverzní hodnota makroskopického průřezu je obzvláště pozoruhodná, protože udává střední vzdálenost, kterou urazí dopadající částice před interakcí s cílovou částicí; tato inverzní míra se nazývá střední volná dráha. Průřezy se měří tak, že se vytvoří svazek jedné částice o dané energii, svazek se nechá interagovat s (obvykle tenkým) terčem ze stejného nebo jiného materiálu a měří se výchylky nebo reakční produkty. Tímto způsobem je možné určit relativní pravděpodobnost jednoho typu fúzní reakce oproti jinému a také optimální podmínky pro konkrétní reakci.
Průřezy fúzních reakcí lze měřit experimentálně nebo vypočítat teoreticky a byly určeny pro mnoho reakcí v širokém rozsahu energií částic. Jsou dobře známy pro praktické aplikace fúzní energie a jsou poměrně dobře známy, i když s mezerami, pro hvězdný vývoj. Fúzní reakce mezi jádry, z nichž každé má kladný náboj jedna nebo více, jsou nejdůležitější jak pro praktické aplikace, tak pro nukleosyntézu lehkých prvků ve fázích hoření hvězd. Přesto je dobře známo, že dvě kladně nabitá jádra se navzájem elektrostaticky odpuzují – tj. působí na ně odpudivá síla nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti, která je dělí. Toto odpuzování se nazývá Coulombova bariéra (viz Coulombova síla). Je velmi nepravděpodobné, že by se dvě kladná jádra k sobě přiblížila natolik, aby došlo k fúzní reakci, pokud nemají dostatečnou energii k překonání Coulombovy bariéry. V důsledku toho je průřez fúzních reakcí mezi nabitými částicemi velmi malý, pokud není energie částic vysoká, alespoň 104 elektronvoltů (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule) a často více než 105 nebo 106 eV. To vysvětluje, proč musí být střed hvězdy horký, aby palivo mohlo hořet, a proč musí být palivo pro praktické systémy využívající energii z jaderné fúze zahřáté alespoň na 50 000 000 kelvinů (K; 90 000 000 °F). Teprve pak bude dosaženo rozumné rychlosti fúzní reakce a výkonu.
Encyclopædia Britannica, Inc.viz všechna videa k tomuto článku
Fenomén Coulombovy bariéry také vysvětluje zásadní rozdíl mezi výrobou energie jadernou fúzí a jaderným štěpením. Zatímco štěpení těžkých prvků může být vyvoláno jak protony, tak neutrony, výroba štěpné energie pro praktické použití je závislá na neutronech, které vyvolávají štěpné reakce v uranu nebo plutoniu. Protože neutron nemá elektrický náboj, může volně vstupovat do jádra, i když jeho energie odpovídá pokojové teplotě. Fúzní energie, která je závislá na fúzní reakci mezi lehkými jádry, vzniká pouze tehdy, když jsou částice dostatečně energetické, aby překonaly Coulombovu odpudivou sílu. To vyžaduje výrobu a zahřátí plynných reaktantů na vysokou teplotu známou jako stav plazmatu.
Encyclopædia Britannica, Inc.
.