Nuklearna_fuzija
Uslovi za fuziju
Znatna energetska barijera mora biti savladana da bi se pojavila fuzija. Na velikim rastojanjima dva potpuno ionizirana nuklearna jezgra odbijaju jedno drugo zbog odbijajućih elektrostatičkih sila koje postoje između njihovih pozitivno naelektrisanih protona. Ukoliko se dva jezgra mogu približiti dovoljno blizu, elektrostatička barijera će biti savladana zbog jakih nuklearnih sila koje su na bliskom rastojanju jače od elektrostatičkih odbijajućih (repulsivnih) sila. Kada se nukleon kao što je proton ili neutron dodaju jezgru, jaka sila privlači ih prema drugim nukleonima u tom jezgru, ali prvenstveno ih privlači prema najbližim susjednim nukleonima zbog kratkog dometa te sile. Nukleoni u unutrašnjosti jezgra imaju više susjednih nukleona nego oni nukleoni koji se nalaze na površini jezgra. Pošto manje jezgro ima veći odnos površine prema obimu, energija veze po nukleonu zbog jačine sile obično se povećava sa veličinom nuklearnog jezgra, ali prilazi graničnoj vrijednosti koja odgovara onoj vrijednosti koju ima potpuno okružen nukleon. Elektrostatička sila, sa druge strane, je inverzna kvadratna sila, tako da proton koji je dodat nuklearnom jezgru ima elektrostatičko odbijanje od svih drugih protona u jezgru. Elektrostatička energija po nukleonu se povećava zbog elektrostatičke sile, bez ograničenja kako jezgro postaje veće. Krajnji rezultat ovih suprotnih sila je taj, da se energija veze po nukleonu povećava s povećanjem veličine nuklearnog jezgra, sve do elemenata željeza i nikla, poslije toga ona se smanjuje za teža nuklearna jezgra. Na kraju, energija veze postaje slaba i zbog toga vrlo teška jezgra su nestabilna. Četiri najčvršće vezana jezgra, padajućim redom u odnosu na energiju veze su: 62Ni, 58Fe, 56Fe i 60Ni. Iako je izotop nikla 62Ni stabilniji od izotopa željeza 56Fe poredak po veličini je uobičajeniji. To je zbog većeg odnosa raspadanja 62Ni u unutrašnjosti zvijezda koji se dešava zbog apsorpcije fotona. Istaknuti izuzetak ovog općeg ponašanja je jezgro helija-4, čija energija veze je veća od energije veze litija, narednog težeg elementa. Paulijev princip isključenja omogućava objašnjenje ovog izuzetnog ponašanja, on kaže: "da zbog toga što su protoni i neutroni fermioni, oni ne mogu da postoje u tačno istom stanju." Stanje energije svakog protona ili neutrona u nuklearnom jezgru može se prilagoditi i gornjem i donjem spinu čestice. Helij-4 ima neuobičajeno veliku energiju veze zbog toga što se njegovo jezgro sastoji od dva protona i dva neutrona, tako da sva četiri nukleona mogu da budu u osnovnom stanju. Bilo koji dodatni nukleoni morali bi da pređu u stanje više energije. Situacija je slična ako se spoje dva nuklearna jezgra. Dok se jedno jezgro približava drugom, svi protoni jednog jezgra odbijaju sve protone u drugom jezgru. To se dešava sve dok dva jezgra ne dođu u kontakt, kada jake nuklearne sile preuzimaju oba jezgra. Prema tome, čak i kada je krajnje energetsko stanje niže, i dalje postoji velika energetska barijera koja mora biti savladana. U hemiji ovo bi bilo poznato kao aktivaciona energija. U nuklearnoj fizici ovo se zove Coulombova barijera. Ova barijera je najniža za izotope vodika, oni sadrže samo jedno pozitivno naelektrisanje u jezgru. Jezgro u kojem bi se nalazila samo dva protona nije stabilno, tako da neutroni moraju biti uključeni, u tom pogledu idealno je jezgro helija, gdje je jedna od posljedica izuzetno jaka energija veze. Koristeći deuterij-tricijsko gorivo, krajnja energetska barijera je oko 0,1 MeV. U poređenju, energija koja je potrebna da bi se uklonio jedan elektron iz vodika je 13,6 eV, oko 7500 puta manja energija. Prelazni rezultat fuzije deuterija i tricija je nestabilno 5He jezgro, koje odmah izbacuje neutron sa energijom od 14,1 MeV. Energija uzmaka preostalog 4He jezgra je 3,5 MeV, tako da je ukupna oslobođena energija 17,6 MeV. Ovo je višestruko veća energija od one koja je potrebna da bi se savladala energetska barijera. Ukoliko energija kojom se započinje reakcija dolazi od ubrzavanja jednog jezgra, proces se zove "zrak-meta" fuzija, ukoliko su oba jezgra ubrzana to je onda "zrak-zrak" fuzija. Ukoliko su jezgra dijelovi plazme koja je blizu termičke ravnoteže, onda se radi o "termonuklearnoj" fuziji. Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica, tako da će se zagrijavanjem jezgra dobiti energija i možda će se imati dovoljno energije za savladavanje barijere od 0,1 MeV. Pretvaranje jedinica između elektronvolti i kelvina pokazuje da će barijera biti savladana na temperaturi većoj od 160 GK, očito vrlo visokoj temperaturi. Postoje dva efekta koji smanjuju potrebnu temperaturu. Jedan je činjenica da je temperatura "prosječna" kinetička energija, ukazujući da će pojedina jezgra na toj temperaturi stvarno imati mnogo veću energiju od 0,1 MeV, dok će ostala imati mnogo manju energiju. Procjenjuje se da će jezgra koje se nalaze na kraju visoko energetske raspodjele brzine uzrokovati većinu fuzionih reakcija. Drugi efekat je kvantno tuneliranje. Jezgro ne mora stvarno imati dovoljno energije da u potpunosti savlada Coulombovu barijeru. Ukoliko imaju skoro dovoljno energije, oni mogu proći kroz preostalu barijeru. Zbog ovih razloga gorivo će na nižoj temperaturi i dalje proći kroz fuzione procese, u manjoj razmjeri.