fúziós reakciókban felszabaduló energia

a fúziós reakciók sebessége és hozama

az atommagok közötti reakció energiahozama és az ilyen reakciók sebessége egyaránt fontos. Ezek a mennyiségek nagy hatással vannak olyan tudományos területekre, mint a nukleáris asztrofizika és az elektromos energia Nukleáris termelésének lehetősége.

amikor egy típusú részecske azonos vagy különböző típusú részecskék gyűjteményén halad át, mérhető esély van arra, hogy a részecskék kölcsönhatásba lépnek. A részecskék sokféle módon kölcsönhatásba léphetnek, például egyszerűen szétszóródhatnak, ami azt jelenti, hogy irányt változtatnak és energiát cserélnek, vagy nukleáris fúziós reakción mennek keresztül. A részecskék kölcsönhatásának valószínűségét keresztmetszetnek nevezzük, és a keresztmetszet nagysága a kölcsönhatás típusától, valamint a részecskék állapotától és energiájától függ. A célrészecske keresztmetszetének és atomsűrűségének szorzatát makroszkopikus keresztmetszetnek nevezzük. A makroszkopikus keresztmetszet inverze különösen figyelemre méltó, mivel megadja azt az átlagos távolságot, amelyet egy beeső részecske megtesz, mielőtt kölcsönhatásba lépne egy célrészecskével; ezt az inverz mértéket átlagos szabad útnak nevezzük. A keresztmetszeteket úgy mérjük, hogy egy adott részecskéből álló gerendát állítunk elő egy adott energián, lehetővé téve a gerenda számára, hogy kölcsönhatásba lépjen egy (általában vékony) célponttal, amely ugyanabból vagy más anyagból készül, és mérjük az eltéréseket vagy a reakciótermékeket. Ily módon meg lehet határozni az egyik típusú fúziós reakció relatív valószínűségét a másikhoz képest, valamint az adott reakció optimális feltételeit.

a fúziós reakciók keresztmetszete kísérletileg mérhető vagy elméletileg kiszámítható, és számos reakcióra meghatározták őket a részecske energiák széles tartományában. Jól ismertek a fúziós energia gyakorlati alkalmazásairól, és meglehetősen jól ismertek, bár hézagokkal, a csillagfejlődés szempontjából. A magok közötti fúziós reakciók, amelyek mindegyike egy vagy több pozitív töltéssel rendelkezik, a legfontosabbak mind a gyakorlati alkalmazásokhoz, mind a fényelemek nukleoszintéziséhez a csillagok égési szakaszában. Mégis, jól ismert, hogy két pozitív töltésű mag elektrosztatikusan taszítja egymást—vagyis visszataszító erőt tapasztalnak fordítottan arányos az őket elválasztó távolság négyzetével. Ezt a taszítást Coulomb-gátnak nevezzük (lásd Coulomb-erő). Nagyon valószínűtlen, hogy két pozitív mag elég szorosan megközelíti egymást ahhoz, hogy fúziós reakción menjenek keresztül, hacsak nincs elegendő energiájuk a Coulomb-gát leküzdéséhez. Ennek eredményeként a töltött részecskék közötti fúziós reakciók keresztmetszete nagyon kicsi, kivéve, ha a részecskék energiája magas, legalább 104 elektronvolt (1 eV 1,602 10-19 joule) és gyakran több mint 105 vagy 106 EV. Ez megmagyarázza, hogy miért kell egy csillag közepének forrónak lennie ahhoz, hogy az üzemanyag elégjen, és miért kell a gyakorlati fúziós energiarendszerek üzemanyagát legalább 50 000 000 kelvinre (K; 90.000.000 Ft). Csak akkor érhető el ésszerű fúziós reakciósebesség és teljesítmény.

a Coulomb-gát jelensége megmagyarázza az alapvető különbséget a magfúziós energiatermelés és a maghasadás között. Míg a nehéz elemek hasadását protonok vagy neutronok indukálhatják, a hasadási energia előállítása gyakorlati alkalmazásokhoz a neutronoktól függ, hogy hasadási reakciókat váltsanak ki uránban vagy plutóniumban. Elektromos töltés nélkül a neutron szabadon beléphet a magba, még akkor is, ha energiája megfelel a szobahőmérsékletnek. A fúziós energia, amely a könnyű magok közötti fúziós reakcióra támaszkodik, csak akkor fordul elő, ha a részecskék elég energikusak ahhoz, hogy legyőzzék a Coulomb taszító erőt. Ez megköveteli a gáznemű reagensek előállítását és melegítését a plazma állapotnak nevezett magas hőmérsékletű állapotba.