Bei Fusionsreaktionen freigesetzte Energie
Geschwindigkeit und Ausbeute von Fusionsreaktionen
Die Energieausbeute einer Reaktion zwischen Kernen und die Geschwindigkeit solcher Reaktionen sind beide wichtig. Diese Größen haben einen tiefgreifenden Einfluss auf wissenschaftliche Bereiche wie die nukleare Astrophysik und das Potenzial für die nukleare Erzeugung elektrischer Energie.
Wenn ein Partikel eines Typs eine Ansammlung von Partikeln desselben oder eines anderen Typs passiert, besteht eine messbare Wahrscheinlichkeit, dass die Partikel interagieren. Die Teilchen können auf viele Arten interagieren, wie zum Beispiel einfach streuen, was bedeutet, dass sie die Richtung ändern und Energie austauschen, oder sie können eine Kernfusionsreaktion durchlaufen. Das Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass Partikel interagieren, wird als Querschnitt bezeichnet, und die Größe des Querschnitts hängt von der Art der Wechselwirkung und dem Zustand und der Energie der Partikel ab. Das Produkt aus dem Querschnitt und der Atomdichte des Zielpartikels wird als makroskopischer Querschnitt bezeichnet. Die Umkehrung des makroskopischen Querschnitts ist besonders bemerkenswert, da sie die mittlere Entfernung angibt, die ein einfallendes Teilchen zurücklegt, bevor es mit einem Zielteilchen interagiert. Querschnitte werden gemessen, indem ein Strahl eines Partikels mit einer bestimmten Energie erzeugt wird, der es dem Strahl ermöglicht, mit einem (normalerweise dünnen) Target aus demselben oder einem anderen Material zu interagieren und Ablenkungen oder Reaktionsprodukte zu messen. Auf diese Weise ist es möglich, die relative Wahrscheinlichkeit einer Art von Fusionsreaktion gegenüber einer anderen sowie die optimalen Bedingungen für eine bestimmte Reaktion zu bestimmen.
Die Querschnitte von Fusionsreaktionen können experimentell gemessen oder theoretisch berechnet werden und wurden für viele Reaktionen über einen weiten Bereich von Teilchenenergien bestimmt. Sie sind bekannt für praktische Fusionsenergieanwendungen und einigermaßen bekannt, wenn auch mit Lücken, für die Sternentwicklung. Fusionsreaktionen zwischen Kernen mit jeweils einer positiven Ladung von einem oder mehreren sind sowohl für praktische Anwendungen als auch für die Nukleosynthese der leichten Elemente in den Brennstadien von Sternen am wichtigsten. Es ist jedoch bekannt, dass sich zwei positiv geladene Kerne elektrostatisch abstoßen — dh sie erfahren eine Abstoßungskraft, die umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist, die sie trennt. Diese Abstoßung wird als Coulomb-Barriere bezeichnet (siehe Coulomb-Kraft). Es ist höchst unwahrscheinlich, dass sich zwei positive Kerne nahe genug nähern, um eine Fusionsreaktion durchzuführen, es sei denn, sie haben genügend Energie, um die Coulomb-Barriere zu überwinden. Infolgedessen ist der Querschnitt für Fusionsreaktionen zwischen geladenen Teilchen sehr klein, 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 brennt, und warum Brennstoff für praktische Fusionsenergiesysteme auf mindestens 50.000.000 Kelvin (K) erhitzt werden muss; 90.000.000 °F). Nur dann wird eine vernünftige Fusionsreaktionsrate und -leistung erreicht.
Das Phänomen der Coulomb-Barriere erklärt auch einen grundlegenden Unterschied zwischen der Energieerzeugung durch Kernfusion und Kernspaltung. Während die Spaltung schwerer Elemente entweder durch Protonen oder Neutronen induziert werden kann, ist die Erzeugung von Spaltenergie für praktische Anwendungen von Neutronen abhängig, um Spaltreaktionen in Uran oder Plutonium zu induzieren. Da das Neutron keine elektrische Ladung hat, kann es auch dann in den Kern eintreten, wenn seine Energie der Raumtemperatur entspricht. Fusionsenergie, die sich auf die Fusionsreaktion zwischen leichten Kernen stützt, tritt nur auf, wenn die Teilchen ausreichend energisch sind, um die Coulomb-Abstoßungskraft zu überwinden. Dies erfordert die Erzeugung und Erwärmung der gasförmigen Reaktanten in den Hochtemperaturzustand, der als Plasmazustand bekannt ist.
