fuusioreaktioissa vapautuva energia

fuusioreaktioiden nopeus ja saanto

ydinten välisen reaktion energiatuotto ja näiden reaktioiden nopeus ovat molemmat tärkeitä. Näillä suureilla on suuri vaikutus tieteellisiin aloihin, kuten ydinastrofysiikkaan ja sähköenergian ydintuotantomahdollisuuksiin.

kun yhdenlainen hiukkanen kulkee saman tai erilaisen hiukkaskokoelman läpi, on mitattavissa oleva mahdollisuus, että hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään. Hiukkaset voivat vuorovaikuttaa monin tavoin, kuten yksinkertaisesti sirotellen, jolloin ne muuttavat suuntaa ja vaihtavat energiaa, tai ne voivat käydä läpi ydinfuusioreaktion. Hiukkasten vuorovaikutustodennäköisyyden mitta on nimeltään poikkileikkaus, ja poikkileikkauksen suuruus riippuu vuorovaikutustyypistä sekä hiukkasten tilasta ja energiasta. Poikkileikkauksen ja kohdehiukkasen atomitiheyden tuloa kutsutaan makroskooppiseksi poikkileikkaukseksi. Makroskooppisen poikkileikkauksen käänteisluku on erityisen huomionarvoinen, koska se antaa keskimääräisen etäisyyden, jonka kohdehiukkanen kulkee ennen vuorovaikutustaan kohdehiukkasen kanssa; tätä käänteistä mittaa kutsutaan keskimääräiseksi vapaaksi tieksi. Poikkileikkauksia mitataan tuottamalla yhden hiukkasen säde tietyllä energialla, jolloin säde voi vuorovaikuttaa samasta tai eri materiaalista valmistetun (yleensä ohuen) kohteen kanssa ja mittaamalla taipumia tai reaktiotuotteita. Näin voidaan määrittää yhden fuusioreaktion suhteellinen todennäköisyys toiseen verrattuna sekä optimaaliset olosuhteet tietylle reaktiolle.

fuusioreaktioiden poikkileikkaukset voidaan mitata kokeellisesti tai laskea teoreettisesti, ja ne on määritetty monille reaktioille monenlaisilla hiukkasenergioilla. Ne tunnetaan hyvin käytännöllisistä fuusioenergiasovelluksista ja kohtalaisen hyvin, vaikkakin puutteellisesti, tähtien evoluutiosta. Ytimien väliset fuusioreaktiot, joissa kussakin on positiivinen varaus yksi tai useampi, ovat tärkeimpiä sekä käytännön sovellutusten että tähtien palamisvaiheissa olevien valoelementtien nukleosynteesin kannalta. On kuitenkin tunnettua, että kaksi positiivisesti varautunutta ydintä hylkivät toisiaan sähköstaattisesti—eli ne kokevat kääntäen niitä erottavan etäisyyden neliöön verrattavan vastenmielisen voiman. Tätä repulsiota kutsutaan Coulombin esteeksi (katso Coulombin voima). On erittäin epätodennäköistä, että kaksi positiivista ydintä lähestyisi toisiaan riittävän läheltä fuusioreaktioon, ellei niillä ole riittävästi energiaa Coulombin esteen ylittämiseen. Tämän vuoksi poikkileikkaus varattujen hiukkasten välisissä fuusioreaktioissa on hyvin pieni, ellei hiukkasten energia ole suuri, vähintään 104 elektronivolttia (1 eV ≅ 1,602 × 10-19 joule) ja usein yli 105 tai 106 eV. Tämä selittää, miksi tähden keskustan on oltava kuuma, jotta polttoaine palaisi, ja miksi käytännön fuusioenergiajärjestelmien polttoaine on lämmitettävä vähintään 50 000 000 kelviniin (K; 90 000 000 °F). Vain siten saavutetaan kohtuullinen fuusioreaktionopeus ja-teho.

Coulombin sulun ilmiö selittää myös perustavanlaatuisen eron ydinfuusion ja ydinfission energiantuotannon välillä. Vaikka raskaiden alkuaineiden fissio voidaan indusoida joko protonien tai neutronien avulla, käytännön sovelluksissa käytettävän fissioenergian tuottaminen riippuu neutroneista, jotka indusoivat uraanin tai plutoniumin fissioreaktioita. Koska neutronilla ei ole sähkövarausta, se pääsee ytimeen vapaasti, vaikka sen energia vastaisi huoneenlämpöä. Fuusioenergia, joka perustuu kevyiden ytimien väliseen fuusioreaktioon, syntyy vain, kun hiukkaset ovat riittävän energisiä voittaakseen Coulombin hylkimisvoiman. Tämä edellyttää kaasumaisten reaktanttien tuotantoa ja lämmittämistä korkean lämpötilan tilaan, jota kutsutaan plasmatilaksi.