A fúziós reakciókban felszabaduló energia
A fúziós reakciók sebessége és hozama
A magok közötti reakció energiatermelése és az ilyen reakciók sebessége egyaránt fontos. Ezek a mennyiségek alapvetően befolyásolják az olyan tudományos területeket, mint a nukleáris asztrofizika és az elektromos energia nukleáris előállításának lehetősége.
Amikor egy adott típusú részecske áthalad egy azonos vagy különböző típusú részecskékből álló halmazon, mérhető esély van arra, hogy a részecskék kölcsönhatásba lépnek. A részecskék többféleképpen is kölcsönhatásba léphetnek, például egyszerűen szóródhatnak, ami azt jelenti, hogy irányt változtatnak és energiát cserélnek, vagy magfúziós reakción mehetnek keresztül. A részecskék kölcsönhatásának valószínűségét keresztmetszetnek nevezzük, és a keresztmetszet nagysága a kölcsönhatás típusától, valamint a részecskék állapotától és energiájától függ. A keresztmetszet és a célrészecske atomsűrűségének szorzatát makroszkopikus keresztmetszetnek nevezzük. A makroszkopikus keresztmetszet inverze különösen figyelemre méltó, mivel ez adja meg azt az átlagos távolságot, amelyet egy beeső részecske megtesz, mielőtt kölcsönhatásba lép a célrészecskével; ezt az inverz mértéket nevezzük átlagos szabad útnak. A keresztmetszetet úgy mérik, hogy egy adott energiájú részecskéből álló sugárnyalábot állítanak elő, hagyják, hogy a sugárnyaláb kölcsönhatásba lépjen egy ugyanabból vagy más anyagból készült (általában vékony) céltárgygal, és mérik az eltéréseket vagy a reakciótermékeket. Ily módon meghatározható az egyik típusú fúziós reakció relatív valószínűsége a másikhoz képest, valamint az optimális feltételek egy adott reakcióhoz.
A fúziós reakciók keresztmetszetei kísérletileg mérhetők vagy elméletileg kiszámíthatók, és számos reakcióra határozták meg őket a részecskenergiák széles tartományában. Jól ismertek a gyakorlati fúziósenergia-alkalmazások esetében, és meglehetősen jól ismertek, bár hiányosságokkal, a csillagfejlődésre vonatkozóan is. Az egy vagy több pozitív töltéssel rendelkező atommagok közötti fúziós reakciók a legfontosabbak mind a gyakorlati alkalmazások, mind a könnyű elemek nukleoszintézise szempontjából a csillagok égési szakaszában. Ugyanakkor jól ismert, hogy két pozitív töltésű atommag elektrosztatikusan taszítja egymást – vagyis az őket elválasztó távolság négyzetével fordítottan arányos taszító erő hat rájuk. Ezt a taszítást Coulomb-gátnak nevezik (lásd Coulomb-erő). Nagyon valószínűtlen, hogy két pozitív atommag elég közel kerüljön egymáshoz ahhoz, hogy fúziós reakcióba lépjen, hacsak nem rendelkeznek elegendő energiával a Coulomb-gát leküzdéséhez. Ennek eredményeként a töltött részecskék közötti fúziós reakciók keresztmetszete nagyon kicsi, hacsak a részecskék energiája nem nagy, legalább 104 elektronvolt (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule), és gyakran több mint 105 vagy 106 eV. Ez megmagyarázza, miért kell egy csillag középpontjának forrónak lennie ahhoz, hogy az üzemanyag elégjen, és miért kell a gyakorlati fúziós energiarendszerek üzemanyagát legalább 50 000 000 kelvinre (K; 90 000 000 000 °F) felmelegíteni. Csak így érhető el ésszerű fúziós reakciósebesség és teljesítmény.
Encyclopædia Britannica, Inc. a cikk összes videójának megtekintése
A Coulomb-gát jelensége magyarázza a magfúzió és a maghasadás útján történő energiatermelés közötti alapvető különbséget is. Míg a nehéz elemek hasadását protonokkal vagy neutronokkal is elő lehet idézni, a hasadási energia előállítása a gyakorlati alkalmazásokban a neutronoktól függ, hogy az uránban vagy a plutóniumban hasadási reakciókat idézzenek elő. Mivel a neutron nem rendelkezik elektromos töltéssel, szabadon beléphet az atommagba, még akkor is, ha energiája megfelel a szobahőmérsékletnek. A fúziós energia, amely a könnyű atommagok közötti fúziós reakcióra támaszkodik, csak akkor keletkezik, ha a részecskék elég nagy energiájúak ahhoz, hogy legyőzzék a Coulomb-taszító erőt. Ehhez a gáznemű reaktánsok előállítása és felmelegítése szükséges a plazmaállapotnak nevezett magas hőmérsékletű állapotba.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Encyclopædia Britannica, Inc.