Energia eliberată în reacțiile de fuziune

admin 0 Comments Articles

Energia eliberată în reacțiile de fuziune

Rata și randamentul reacțiilor de fuziune

Rata și randamentul energetic al unei reacții între nuclee și rata acestor reacții sunt ambele importante. Aceste mărimi au o influență profundă în domenii științifice precum astrofizica nucleară și potențialul de producere nucleară a energiei electrice.

Când o particulă de un anumit tip trece printr-o colecție de particule de același tip sau de tip diferit, există o șansă măsurabilă ca particulele să interacționeze. Particulele pot interacționa în mai multe moduri, cum ar fi simpla împrăștiere, ceea ce înseamnă că își schimbă direcția și fac schimb de energie, sau pot suferi o reacție de fuziune nucleară. Măsura probabilității ca particulele să interacționeze se numește secțiune transversală, iar magnitudinea secțiunii transversale depinde de tipul de interacțiune și de starea și energia particulelor. Produsul dintre secțiunea transversală și densitatea atomică a particulei țintă se numește secțiune transversală macroscopică. Inversul secțiunii transversale macroscopice este deosebit de important, deoarece oferă distanța medie pe care o va parcurge o particulă incidentă înainte de a interacționa cu o particulă țintă; această măsură inversă se numește drum liber mediu. Secțiunile transversale se măsoară prin producerea unui fascicul de o particulă la o anumită energie, lăsând fascicululul să interacționeze cu o țintă (de obicei subțire) din același material sau dintr-un material diferit și măsurând devierile sau produsele de reacție. În acest mod este posibil să se determine probabilitatea relativă a unui tip de reacție de fuziune față de altul, precum și condițiile optime pentru o anumită reacție.

Secțiunile transversale ale reacțiilor de fuziune pot fi măsurate experimental sau calculate teoretic și au fost determinate pentru multe reacții pe o gamă largă de energii ale particulelor. Ele sunt bine cunoscute pentru aplicațiile practice ale energiei de fuziune și sunt rezonabil de bine cunoscute, deși cu lacune, pentru evoluția stelară. Reacțiile de fuziune între nuclee, fiecare cu o sarcină pozitivă de una sau mai multe unități, sunt cele mai importante atât pentru aplicațiile practice, cât și pentru nucleosinteza elementelor ușoare în etapele de ardere ale stelelor. Cu toate acestea, este bine cunoscut faptul că două nuclee încărcate pozitiv se resping reciproc în mod electrostatic – adică, ele suferă o forță de respingere invers proporțională cu pătratul distanței care le separă. Această repulsie se numește bariera Coulomb (vezi Forța Coulomb). Este foarte puțin probabil ca două nuclee pozitive să se apropie unul de celălalt suficient de mult pentru a suferi o reacție de fuziune, cu excepția cazului în care au suficientă energie pentru a depăși bariera Coulomb. Ca urmare, secțiunea transversală pentru reacțiile de fuziune între particule încărcate este foarte mică, cu excepția cazului în care energia particulelor este mare, de cel puțin 104 electronvolți (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule) și adesea mai mult de 105 sau 106 eV. Acest lucru explică de ce centrul unei stele trebuie să fie fierbinte pentru ca combustibilul să ardă și de ce combustibilul pentru sistemele practice de energie de fuziune trebuie să fie încălzit la cel puțin 50.000.000.000 kelvins (K; 90.000.000.000 °F). Numai atunci se va obține o rată rezonabilă a reacției de fuziune și o putere de ieșire rezonabilă.

Fenomenul barierei lui Coulomb explică, de asemenea, o diferență fundamentală între generarea de energie prin fuziune nucleară și fisiune nucleară. În timp ce fisiunea elementelor grele poate fi indusă fie de protoni, fie de neutroni, generarea de energie de fisiune pentru aplicații practice depinde de neutroni pentru a induce reacții de fisiune în uraniu sau plutoniu. Neavând sarcină electrică, neutronul este liber să intre în nucleu, chiar dacă energia sa corespunde temperaturii camerei. Energia de fuziune, care se bazează pe reacția de fuziune între nuclee ușoare, apare numai atunci când particulele sunt suficient de energetice pentru a depăși forța de respingere a lui Coulomb. Acest lucru necesită producerea și încălzirea reactanților gazoși până la starea de temperatură ridicată, cunoscută sub numele de stare de plasmă.

.