energia uwalniana w reakcjach syntezy jądrowej

szybkość i wydajność reakcji syntezy jądrowej

wydajność energetyczna reakcji między jądrami i szybkość takich reakcji są ważne. Wielkości te mają głęboki wpływ na dziedziny naukowe, takie jak astrofizyka jądrowa i potencjał produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych.

gdy cząstka jednego typu przechodzi przez zbiór cząstek tego samego lub innego typu, istnieje wymierna szansa, że cząstki będą oddziaływać. Cząstki mogą oddziaływać na wiele sposobów, takich jak po prostu rozpraszanie, co oznacza, że zmieniają kierunek i wymieniają energię lub mogą przejść reakcję fuzji jądrowej. Miarą prawdopodobieństwa, że cząstki będą oddziaływać, jest przekrój, a wielkość przekroju zależy od rodzaju interakcji oraz stanu i energii cząstek. Iloczyn przekroju i gęstości atomowej cząstki docelowej nazywa się przekrojem makroskopowym. Odwrotność makroskopowego przekroju poprzecznego jest szczególnie godna uwagi, ponieważ podaje średnią odległość, którą przypadkowa cząstka przemierzy, zanim wejdzie w interakcję z cząstką docelową; ta odwrotna miara nazywa się średnią swobodną ścieżką. Przekroje są mierzone przez wytworzenie wiązki jednej cząstki o danej energii, umożliwiając wiązkę oddziaływań z (Zwykle cienkim) celem wykonanym z tego samego lub innego materiału oraz pomiar ugięć lub produktów reakcji. W ten sposób możliwe jest określenie względnego prawdopodobieństwa jednego rodzaju reakcji fuzyjnej w porównaniu z innym, a także optymalnych warunków dla danej reakcji.

przekroje reakcji fuzji mogą być mierzone doświadczalnie lub obliczane teoretycznie i zostały określone dla wielu reakcji w szerokim zakresie energii cząstek. Są one dobrze znane z praktycznych zastosowań energii termojądrowej i są dość dobrze znane, choć z lukami,z ewolucji gwiazd. Reakcje fuzji między jądrami, z których każdy ma ładunek dodatni jeden lub więcej, są najważniejsze zarówno dla praktycznych zastosowań, jak i dla nukleosyntezy lekkich pierwiastków w fazie spalania gwiazd. Wiadomo jednak, że dwa dodatnio naładowane jądra odpychają się wzajemnie elektrostatycznie—tzn. doświadczają siły odpychającej odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości dzielącej je od siebie. To odpychanie nazywa się barierą Coulomba (patrz Siła Coulomba). Jest mało prawdopodobne, aby dwa dodatnie jądra zbliżyły się do siebie na tyle blisko, aby przejść reakcję fuzji, chyba że mają wystarczającą energię, aby pokonać barierę Coulomba. W rezultacie przekrój dla reakcji fuzji między naładowanymi cząstkami jest bardzo mały, chyba że energia cząstek jest wysoka, co najmniej 104 elektronowolty (1 ev ~ 1,602 × 10-19 joule) i często więcej niż 105 lub 106 EV. To wyjaśnia, dlaczego centrum Gwiazdy musi być gorące, aby paliwo mogło się spalić i dlaczego paliwo do praktycznych systemów energii termojądrowej musi być ogrzewane do co najmniej 50 000 000 kelvinów (K; 90 000 000 °F). Tylko wtedy można osiągnąć rozsądną szybkość reakcji termojądrowej i moc wyjściową.

zjawisko bariery Coulomba wyjaśnia również zasadniczą różnicę między wytwarzaniem energii przez syntezę jądrową a rozszczepieniem jądrowym. Podczas gdy rozszczepienie ciężkich pierwiastków może być wywołane przez protony lub neutrony, wytwarzanie energii rozszczepienia w praktycznych zastosowaniach zależy od neutronów w celu wywołania reakcji rozszczepienia uranu lub plutonu. Nie mając ładunku elektrycznego, neutron może swobodnie dostać się do jądra, nawet jeśli jego energia odpowiada temperaturze pokojowej. Energia termojądrowa, polegająca na reakcji termojądrowej pomiędzy jądrami światła, zachodzi tylko wtedy, gdy cząstki są wystarczająco energiczne, aby pokonać siłę odpychającą kulomba. Wymaga to wytwarzania i podgrzewania gazowych reagentów do stanu wysokotemperaturowego znanego jako stan plazmy.