Energi frigivet ved fusionsreaktioner
Fusionsreaktioners hastighed og udbytte
Energitilskuddet ved en reaktion mellem atomkerner og hastigheden af sådanne reaktioner er begge vigtige. Disse størrelser har stor indflydelse på videnskabelige områder som nuklear astrofysik og potentialet for nuklear produktion af elektrisk energi.
Når en partikel af én type passerer gennem en samling af partikler af samme eller anden type, er der en målbar chance for, at partiklerne vil interagere. Partiklerne kan interagere på mange måder, f.eks. ved blot at blive spredt, hvilket betyder, at de ændrer retning og udveksler energi, eller de kan gennemgå en kernefusionsreaktion. Målingen af sandsynligheden for, at partiklerne vil interagere, kaldes tværsnittet, og størrelsen af tværsnittet afhænger af typen af interaktion og partiklernes tilstand og energi. Produktet af tværsnittet og atomtætheden af målpartiklen kaldes det makroskopiske tværsnit. Den inverse af det makroskopiske tværsnit er særlig bemærkelsesværdig, da den giver den gennemsnitlige afstand, som en indfaldende partikel vil tilbagelægge, før den interagerer med en målpartikel; dette inverse mål kaldes den gennemsnitlige frie vej. Tværsnit måles ved at frembringe en stråle af en partikel med en given energi, lade strålen interagere med et (normalt tyndt) mål af det samme eller et andet materiale og måle afbøjninger eller reaktionsprodukter. På denne måde er det muligt at bestemme den relative sandsynlighed for en type fusionsreaktion i forhold til en anden, samt de optimale betingelser for en bestemt reaktion.
Tværsnittene for fusionsreaktioner kan måles eksperimentelt eller beregnes teoretisk, og de er blevet bestemt for mange reaktioner over et bredt spektrum af partikelenergier. De er velkendte for praktiske fusionsenergianvendelser og er rimeligt velkendte, om end med huller, for stjerneudvikling. Fusionsreaktioner mellem atomkerner med en eller flere positive ladninger er de vigtigste både for praktiske anvendelser og for nukleosyntesen af de lette grundstoffer i stjernernes brændende stadier. Det er imidlertid velkendt, at to positivt ladede kerner frastøder hinanden elektrostatisk – dvs. at de oplever en frastødende kraft, der er omvendt proportional med kvadratet på den afstand, der adskiller dem. Denne frastødning kaldes Coulomb-barrieren (se Coulomb-kraft). Det er højst usandsynligt, at to positive kerner vil nærme sig hinanden tæt nok til at gennemgå en fusionsreaktion, medmindre de har tilstrækkelig energi til at overvinde Coulomb-barrieren. Som følge heraf er tværsnittet for fusionsreaktioner mellem ladede partikler meget lille, medmindre partiklernes energi er høj, mindst 104 elektronvolt (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule) og ofte mere end 105 eller 106 eV. Dette forklarer, hvorfor centrum af en stjerne skal være varmt, for at brændstoffet kan brænde, og hvorfor brændstof til praktiske fusionsenergisystemer skal opvarmes til mindst 50.000.000.000 kelvin (K; 90.000.000.000 °F). Først da vil man opnå en rimelig fusionsreaktionshastighed og en rimelig effekt.
Encyclopædia Britannica, Inc.Se alle videoer til denne artikel
Fænomenet Coulomb-barrieren forklarer også en grundlæggende forskel mellem energiproduktion ved kernefusion og kernefission. Mens spaltning af tunge grundstoffer kan induceres af enten protoner eller neutroner, er generering af fissionsenergi til praktiske anvendelser afhængig af neutroner til at inducere spaltningsreaktioner i uran eller plutonium. Da neutronen ikke har nogen elektrisk ladning, kan den frit trænge ind i kernen, selv om dens energi svarer til stuetemperaturen. Fusionsenergi, der er afhængig af fusionsreaktionen mellem lette atomkerner, opstår kun, når partiklerne er tilstrækkeligt energiske til at overvinde Coulombs afstødningskraft. Dette kræver produktion og opvarmning af de gasformige reaktanter til den højtemperaturtilstand, der er kendt som plasmatilstanden.
Encyclopædia Britannica, Inc.