Termonükleer füzyon

Termonükleer füzyon, çok yüksek sıcaklık kullanılarak nükleer füzyonu başarmanın bir yoludur. Termonükleer füzyonun kontrol edilebilen ve edilemeyen olarak iki formu vardır. Kontrol edilemeyen : kontrol edilemeyecek büyük bir enerjiye sahiptir bunlara termonükleer silahlardan hidrojen bombası örnektir. Kontrol edilebilenler ise yapıcı amaçlar için çevrede bulunan füzyon reaksiyonlarıdır. Bu metin ikincisine odaklı yazılmıştır.

Sıcaklık, parçacıkların ortalama kinetik enerjilerinin bir ölçümüdür. Bu nedenle, cisim ısıtılarak enerji kazandırılabilir. Yeterli sıcaklığa ulaştıktan sonra, verilen Lawson kriteri, plazmada bulunan tesadüfi çarpışmaların enerjisi, Coulomb bariyerini aşmak ve parçacıkları beraber kaynaştırmak için yeterli yüksekliktedir.

ağır hidrojen ve trityum füzyon reaksiyonunda, örneğin, Coulomb bariyerini aşması için gerekli olan enerji 0.1 MeV ‘dur. Enerji ve sıcaklık arasındaki dönüştürme gösteriyor ki; 0.1 MeV bariyerini aşabilmesi için 1.2 milyon Kelvin’den daha fazla bir sıcaklığa ihtiyaç vardır.

Bu gerçek sıcaklığa ihtiyacı olmasının iki etkisi vardır. Birincisi; sıcaklık ortalama kinetik enerjisidir ve bu, bu sıcaklıktaki bazı çekirdeklerin diğerleri daha düşük olduğunda 0.1 MeV ‘dan daha yüksek enerjiye sahip olabileceklerini ima eder. Birçok füzyon reaksiyonu için hesaplanan, hız dağılımının yüksek enerji kuyruğundaki çekirdektir. Diğer bir etki ise quantum tünel sistemidir. Bu çekirdek Coulomb bariyerini tamamen atlayabilmek için yeterli enerjiye sahip olmak zorunda değildir. Yeterliye yakın enerjiye sahipse, bariyere doğru bir tünel oluşturabilirler. Bunların nedenleri için düşük sıcaklıktaki yakıt, düşük oranda füzyon olayları geçirecektir.

Termonükleer füzyonu başarmadaki anahtar problem, sıcak plazmanın nasıl hapsedileceğidir. Yüksek sıcaklık yüzünden, plazma katı cisimlerle doğrudan etkileşimde bulunamaz. Bu nedenle, bir boşlukta bulunmak zorundadır. Yüksek sıcaklık ayrıca yüksek basıncı tanımlar. Plazma hemen genişlemeye, yayılmaya yatkındır ve bazı kuvvetler bu temel basıncın aleyhinde rol oynarlar. Bu kuvvet yıldızlardaki yerçekimi, manyetik füzyon reaktörlerindeki manyetik kuvvetler ya da plazma genişlemeye başlamadan önce meydana gelebilecek füzyon reaksiyonudur.

Bir kuvvetin yakıt hapsetme yeteneği Lawson kriterini tatmin etmek için yeterli olan bir kuvvetin yakıt hapsetme yeteneği yerçekimidir. Bunun için kütleye ihtiyaç vardır, oysaki; çok mükemmel olan yerçekimi hapsedilmesi yalnızca yıldızlarda bulunmuştur. Eğer yeterli kütleye sahiplerse, büyük yıldızların aralıklı füzyon kabiliyeti olanlar kırmızı cüceler ve kahverengi cüceler ise döteryum ve lityumla kaynaşabilirler.

Yeterince ağır bir yıldızda, sağlanan hidrojen çekirdeklerinde tüketildikten sonra, çekirdekleri helyum ve karbonla kaynaşmaya başlar.En büyük yıldızda bu aşama enerjilerinin bir kısmı kaynaştığı zayıf elementlerden ve demirden elde edilene kadar devam eder. Demir en yüksek bağlanma enerjilerinden birisine sahiptir ve bu nedenle ağır elementler üreten reaksiyonlar genellikle endotermiktirler. Bu yüzden ağır metallerin önemli bir miktarı büyük yıldız gelişimlerinin sabit periyotlarında oluşturulmaz, fakat süpernova patlamalarında oluşturulur. Bazı hafif yıldızlar füzyon aşamalarından yaydığı nötronları absorbe ederek ya da yıldızın içindeki füzyondan enerji absorbe ederek, bu elementlerden uzun periyotlar içinde oluşabilirler.

Demirden daha ağır olan elementlerin hepsi teorik olarak kurtulmuş bir potansiyel enerjiye sahiptir. Element sisteminin sonundaki oldukça ağır metallerde, bu ağır elementler nükleer füzyon aşamasında enerji üretebilirler.

Çok yüksek basınç ve sıcaklık aynı anda içine patlamasına ve ısınmasına neden olur. Eğer yakıt yoğun ve yeteri kadar sıcaksa, füzyon reaksiyon oranı yanmak için yeteri kadar yüksek olur. Bu olağanüstü şartları başarabilmek için başlangıçtaki sakin yakıt sıkıştırılmış olmak zorundadır. Durağan sınırlama, hidrojen bombasında kullanıldı. Durağan sınırlamada ayrıca sürücünün lazer, iyon, elektron çekirdeği veya Z-tutamı kontrollü nükleer füzyona da yeltenildi. Diğer bir method ise konveksiyonel yüksek patlayıcı materyali sıkıştırmak için yakıtın bir füzyon koşulu olmasıdır. UTIAS patlayıcı güdümlü yıkım olanakları istikrarlı olması için kullanıldı, merkezlendirilen ve odaklandırılan yarım küre yıkımları D-D reaksiyonlarından nötron üretirler.