Energie die vrijkomt bij fusiereacties
Snelheid en opbrengst van fusiereacties
De energieopbrengst van een reactie tussen kernen en de snelheid van dergelijke reacties zijn beide belangrijk. Deze grootheden hebben een grote invloed op wetenschappelijke gebieden zoals de nucleaire astrofysica en de mogelijkheden voor nucleaire productie van elektrische energie.
Wanneer een deeltje van het ene type door een verzameling deeltjes van hetzelfde of een ander type gaat, is er een meetbare kans dat de deeltjes op elkaar zullen reageren. De deeltjes kunnen op vele manieren op elkaar inwerken, zoals eenvoudigweg verstrooiing, wat betekent dat ze van richting veranderen en energie uitwisselen, of ze kunnen een kernfusiereactie ondergaan. De meting van de kans dat de deeltjes op elkaar inwerken wordt de doorsnede genoemd, en de grootte van de doorsnede hangt af van het soort interactie en de toestand en energie van de deeltjes. Het product van de doorsnede en de atomaire dichtheid van het doeldeeltje wordt de macroscopische doorsnede genoemd. De inverse van de macroscopische doorsnede is bijzonder opmerkelijk, aangezien deze de gemiddelde afstand aangeeft die een invallend deeltje zal afleggen alvorens een wisselwerking met een doeldeeltje tot stand te brengen; deze inverse maat wordt het gemiddelde vrije pad genoemd. Doorsneden worden gemeten door een bundel van één deeltje met een bepaalde energie te produceren, de bundel in wisselwerking te laten treden met een (gewoonlijk dun) doelwit van hetzelfde of een ander materiaal, en de afbuigingen of reactieproducten te meten. Op deze manier is het mogelijk om de relatieve waarschijnlijkheid van het ene type fusiereactie ten opzichte van het andere te bepalen, alsmede de optimale omstandigheden voor een bepaalde reactie.
De doorsneden van fusiereacties kunnen experimenteel worden gemeten of theoretisch worden berekend, en zij zijn bepaald voor vele reacties over een breed scala van deeltjesenergieën. Ze zijn goed bekend voor praktische toepassingen van fusie-energie en zijn redelijk goed bekend, zij het met hiaten, voor stellaire evolutie. Fusiereacties tussen kernen, elk met een positieve lading van één of meer, zijn het belangrijkst voor zowel praktische toepassingen als voor de nucleosynthese van de lichte elementen in de verbrandingsstadia van sterren. Het is echter bekend dat twee positief geladen kernen elkaar elektrostatisch afstoten – d.w.z. dat zij een afstotende kracht ondervinden die omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand die hen scheidt. Deze afstoting wordt de Coulomb-barrière genoemd (zie Coulomb-kracht). Het is zeer onwaarschijnlijk dat twee positieve kernen elkaar dicht genoeg naderen om een fusiereactie te ondergaan, tenzij zij voldoende energie hebben om de Coulomb-barrière te overwinnen. Als gevolg hiervan is de doorsnede voor fusiereacties tussen geladen deeltjes zeer klein, tenzij de energie van de deeltjes hoog is, ten minste 104 elektronvolt (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule) en vaak meer dan 105 of 106 eV. Dit verklaart waarom het centrum van een ster heet moet zijn om de brandstof te laten branden en waarom brandstof voor praktische fusie-energiesystemen moet worden verhit tot ten minste 50.000.000 kelvin (K; 90.000.000 °F). Alleen dan kan een redelijke fusiereactiesnelheid en -vermogen worden bereikt.
Encyclopædia Britannica, Inc.Bekijk alle video’s bij dit artikel
Het verschijnsel van de Coulomb-barrière verklaart ook een fundamenteel verschil tussen energieopwekking door kernfusie en kernsplijting. Terwijl de splijting van zware elementen kan worden geïnduceerd door zowel protonen als neutronen, is de opwekking van splijtingsenergie voor praktische toepassingen afhankelijk van neutronen om splijtingsreacties in uranium of plutonium te induceren. Aangezien het neutron geen elektrische lading heeft, is het vrij om de kern binnen te gaan, zelfs als zijn energie overeenkomt met kamertemperatuur. Fusie-energie, die afhankelijk is van de fusiereactie tussen lichte kernen, ontstaat alleen wanneer de deeltjes voldoende energie hebben om de Coulomb-afstotende kracht te overwinnen. Dit vereist de productie en verhitting van de gasvormige reactanten tot de hoge temperatuurtoestand die bekend staat als de plasmatoestand.
Encyclopædia Britannica, Inc.