Energie, die bei Fusionsreaktionen freigesetzt wird
Rate und Ausbeute von Fusionsreaktionen
Die Energieausbeute einer Reaktion zwischen Kernen und die Rate solcher Reaktionen sind beide wichtig. Diese Größen haben einen großen Einfluss auf wissenschaftliche Bereiche wie die nukleare Astrophysik und die Möglichkeiten der nuklearen Erzeugung von elektrischer Energie.
Wenn ein Teilchen eines Typs durch eine Ansammlung von Teilchen des gleichen oder eines anderen Typs hindurchgeht, besteht eine messbare Chance, dass die Teilchen miteinander wechselwirken. Die Teilchen können auf verschiedene Weise miteinander wechselwirken, z. B. durch einfache Streuung, d. h. sie ändern ihre Richtung und tauschen Energie aus, oder sie können eine Kernfusionsreaktion eingehen. Das Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen miteinander wechselwirken, wird als Wirkungsquerschnitt bezeichnet, und die Größe des Wirkungsquerschnitts hängt von der Art der Wechselwirkung sowie vom Zustand und der Energie der Teilchen ab. Das Produkt aus dem Wirkungsquerschnitt und der atomaren Dichte des Zielteilchens wird als makroskopischer Wirkungsquerschnitt bezeichnet. Der Kehrwert des makroskopischen Wirkungsquerschnitts ist besonders bemerkenswert, da er die mittlere Entfernung angibt, die ein einfallendes Teilchen zurücklegt, bevor es mit einem Zielteilchen wechselwirkt; dieses inverse Maß wird als mittlere freie Weglänge bezeichnet. Der Wirkungsquerschnitt wird gemessen, indem man einen Teilchenstrahl mit einer bestimmten Energie erzeugt, den Strahl mit einem (meist dünnen) Zielteilchen aus demselben oder einem anderen Material wechselwirken lässt und die Ablenkungen oder Reaktionsprodukte misst. Auf diese Weise ist es möglich, die relative Wahrscheinlichkeit einer Art von Fusionsreaktion im Vergleich zu einer anderen sowie die optimalen Bedingungen für eine bestimmte Reaktion zu bestimmen.
Die Wirkungsquerschnitte von Fusionsreaktionen können experimentell gemessen oder theoretisch berechnet werden, und sie wurden für viele Reaktionen in einem breiten Bereich von Teilchenenergien bestimmt. Für praktische Anwendungen der Fusionsenergie sind sie gut bekannt, und für die Sternentwicklung sind sie einigermaßen gut bekannt, wenn auch mit Lücken. Fusionsreaktionen zwischen Kernen, von denen jeder eine positive Ladung von eins oder mehr hat, sind sowohl für praktische Anwendungen als auch für die Nukleosynthese der leichten Elemente in den Brennphasen von Sternen am wichtigsten. Es ist jedoch bekannt, dass sich zwei positiv geladene Kerne elektrostatisch abstoßen, d. h. sie erfahren eine Abstoßungskraft, die umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ist, der sie trennt. Diese Abstoßung wird als Coulomb-Barriere bezeichnet (siehe Coulomb-Kraft). Es ist sehr unwahrscheinlich, dass sich zwei positive Kerne so weit annähern, dass es zu einer Fusionsreaktion kommt, es sei denn, sie haben genügend Energie, um die Coulombbarriere zu überwinden. Infolgedessen ist der Wirkungsquerschnitt für Fusionsreaktionen zwischen geladenen Teilchen sehr gering, es sei denn, die Energie der Teilchen ist hoch, mindestens 104 Elektronenvolt (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 Joule) und oft mehr als 105 oder 106 eV. Dies erklärt, warum das Zentrum eines Sterns heiß sein muss, damit der Brennstoff brennen kann, und warum der Brennstoff für praktische Fusionsenergieanlagen auf mindestens 50.000.000 Kelvin (K; 90.000.000 °F) erhitzt werden muss. Nur dann wird eine vernünftige Fusionsreaktionsrate und Leistung erreicht.
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Das Phänomen der Coulomb-Barriere erklärt auch einen grundlegenden Unterschied zwischen der Energiegewinnung durch Kernfusion und Kernspaltung. Während die Spaltung schwerer Elemente entweder durch Protonen oder Neutronen ausgelöst werden kann, ist die Erzeugung von Spaltungsenergie für praktische Anwendungen auf Neutronen angewiesen, um Spaltungsreaktionen in Uran oder Plutonium auszulösen. Da das Neutron keine elektrische Ladung hat, kann es frei in den Kern eindringen, auch wenn seine Energie der Raumtemperatur entspricht. Die Fusionsenergie, die sich auf die Fusionsreaktion zwischen leichten Kernen stützt, entsteht nur, wenn die Teilchen energiereich genug sind, um die Coulomb-Abstoßungskraft zu überwinden. Dies erfordert die Erzeugung und Erhitzung der gasförmigen Reaktanten auf den Hochtemperaturzustand, der als Plasmazustand bekannt ist.
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