250px|mini|Fuzijska reakcija Deuterij-tricij (D-T) smatra se najboljom reakcijom za dobijanje fuzione energije. Nuklearna fuzija je nuklearna reakcija u kojoj se više nuklearnih jezgra spaja i pri čemu se stvara teže nuklearno jezgro.http://www.pmf.unsa.ba/fizika/images/nastavni_materijali/9-%20Nuklearna%20fuzija.ppt Nuklearna fuzija, Powerpoint datoteka, slajd 3 Ona je praćena oslobađanjem ili apsorpcijom energije u zavisnosti od mase uključenih nuklearnih jezgara. Jezgra željeza i nikla imaju najveću energiju veze po nukleonu i zbog toga su ona stabilnija od svih drugih jezgara. Fuzija dva lakša jezgra od željeza ili nikla najčešće oslobađa energiju, dok fuzija jezgara koja su teža od željeza ili nikla apsorbira energiju, obratno je kod reverznog procesa, nuklearne fisije.

Pregled

Nuklearna fuzija lahkih elemenata oslobađa energiju koja uzrokuje sjaj zvijezda i eksploziju hidrogenske bombe. Nuklearna fuzija težih elemenata (apsorpcija energije) javlja se pri ekstremnim uslovima visoke energije ili pri eksploziji supernove. Nuklearna fuzija kod zvijezda i supernovih je glavni proces kojim se stvaraju novi prirodni elementi. Ova reakcija se koristi kod dobijanja fuzijske energije. Potrebna je znatna energija da bi se izazvala nuklearna fuzija, čak i kod elemenata koji imaju najmanju masu, kao što je vodik. Fuzijom lakših jezgra stvara se teže jezgro i slobodan neutron, obično se oslobađa više energije nego što je potrebno da bi se jezgra spojila. To je jedan egzoterman proces koji može stvoriti samoodržive reakcije. Energija koja se oslobađa u većini nuklearnih reakcija je mnogo veća od energije hemijskih reakcija, zato što je energija veze koja drži nukleone u jezgru zajedno mnogo puta veća od energije koja drži elektrone oko jezgra atoma. Naprimjer, ionizacijska energija koja se dobija dodavanjem elektrona jezgru atoma vodika je 13,6 elektron volti, manje od milionitog dijela od 17 MeV energije koja se oslobađa u D-T (deuterij-tricij) reakcijama. Glavne faze ciklusa nuklearne fuzije kod zvijezda razradio je naučnik Hans Bethe.

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.

desno|250p|mini|Brzina deuterij-tricij fuzijskih reakcija povećava se brzo sa temperaturom dok ne dostignu svoj maksimum oko 70 keV (800 miliona kelvina) a onda postepeno brzina opada.

Reakcioni presjek σ je mjera vjerovatnoće fuzione reakcije kao funkcije relativnog ubrzanja dva reagirajuća jezgra. Ukoliko reagirajuća jezgra imaju raspodjelu ubrzanja, naprimjer, termička distribucija sa termonuklearnom fuzijom, tada je korisno izvesti jedan prosjek raspodjele presjeka proizvoda i brzine. Reakcioni odnos (fuzija po obimu za vrijeme) je σv puta proizvod brojčane gustoće reaktanata:

Ukoliko isto jezgro reagira sa istim jezgrom, kao što je to kod DD reakcija, onda proizvod mora biti zamijenjen sa .

povećava se od stvarne nule pri sobnoj temperaturi do značajnih veličina pri temperaturama od 10 do 100 keV. Na ovim temperaturama, daleko iznad tipičnih ionizacionih energija (13,6 eV u slučaju vodika), fuzija reaktanata postoji u stanju plazme. Značaj σv kao funkcije temperature u uređaju sa naročitom energijom konfiniranja vremena pronađen je uzimajući u obzir Lawsonov kriterij.

Metode konfiniranja goriva

Fuzijska reakcija može održavati samu sebe ukoliko se dovoljno proizvedene energije koristi da bi se gorivo održalo vrućim.

Gravitaciono zatvaranje - Jedna od sila koja može da konfinira gorivo dovoljno dobro da zadovolji Lawsonov kriterij je gravitacija. Međutim, masa koja je potrebna je toliko velika da je gravitaciono konfiniranje jedino pronađeno kod zvijezda. Čak i da se koristi gorivo veće reaktivnosti, kao što je deuterij, bila bi potrebna masa veličine Mjeseca.

Magnetsko konfiniranje - Pošto su plazme vrlo dobri električni provodnici, magnetska polja mogu također da konfiniraju fuziono gorivo. Mnoštvo magnetskih konfiguracija može biti korišteno, najosnovnija razlika postoji između ogledalskog konfiniranja i toroidnog konfiniranja, posebno između tokamaka i stelaratora.

Unutrašnje konfiniranje - Treći način konfiniranja je primjena brzog pulsa energije na veliki dio površine loptice od nuklearnog goriva, uzrokujući istovremenu imploziju i razvijanje toplote do vrlo visokog pritiska i temperature. Ukoliko je gorivo dovoljne gustoće i dovoljno ugrijano, udio fuzijske reakcije će biti dovoljno visok da sagori značajan dio goriva prije nego što se potroši. Da bi se postigli ovi ekstremni uslovi, početno hladno gorivo mora biti eksplozivno komprimirano. Unutrašnje konfiniranje se koristi kod hidrogenske bombe, gdje kao pobuđivač služe x-zrake stvorene pomoću fisione bombe. Unutrašnje konfiniranje je pokušano u "kontroliranoj" nuklearnoj fuziji, gdje se kao pobuđivač koristi laserski, ionski ili elektronski zrak.

Ispituju se i drugi principi konfiniranja, kao što su muon-katalizirana fuzija, Farnsworth-Hirsch fuzor unutrašnje elektrostatičko konfiniranje) i mjehurasta fuzija.

Metode proizvodnje fuzije

Poznato je mnoštvo metoda da bi se utjecalo na nuklearnu fuziju. Neke su "hladne" u ograničenom smislu, većina materijala je na niskoj temperaturi i pritisku ali reaktanti nisu, a neke su "vruće" fuzijske metode koje stvaraju makroskopske regione vrlo velike temperature i pritiska.

Lokalno hladna fuzija : Muon-katalizirana fuzija je ustanovljena i obnovljivi fuzijski proces koji se javlja na običnoj temperaturi. Detaljno ga je proučavao Steven Jones tokom ranih 1980-tih godina. Nije prijavljeno da proizvodi veliku energiju. Vjeruje se da proizvodnja velike energije nije moguća zbog količine energije koja je potrebna da bi se stvorili muoni, njihov poluživot od 2,2 µs i vjerovatnoća da će se muon vezati sa novom alfa česticom i zbog toga zaustaviti kataliziranu fuziju. nuklearne reakcije niske energije su sporna oblast istraživanja da bi se proizvela nuklearna fuzija Uopćeno hladna, lokalno vruća fuzija : U sonoluminescenciji, akustički šok talasi stvaraju privremene mjehuriće koji propadaju ukratko nakon stvaranja, proizvodeći vrlo visoke temperature i pritiske. Tokom 2002. godine, ruski naučnik P. Taleyarkhan prijavljuje mogućnost pojavljivanja mjehuraste fuzije u privremenim mjehurićima (sono fuzija). Od 2005. godine eksperimenti koji se provode da bi se utvrdilo da li se fuzija javlja ili ne, daju dvosmislene rezultate. Ukoliko se javlja fuzija to je zato što su lokalna temeratrura i pritisak dovoljno visoki da proizvedu vruću fuziju. Farnsworth-Hirsch Fuzor je uređaj stone veličine u kome se odvija fuzija. Fuzija se odvija zbog visoko efektivnih temperatura koje se postižu elektrostatičkim ubrzanjem iona. Uređaj se može jeftino napraviti, ali nije u stanju da proizvede veliku izlaznu snagu.