19.8: Fuzja jądrowa

Procesowi przekształcania bardzo lekkich jąder w cięższe jądra towarzyszy również przemiana masy w duże ilości energii, proces zwany fuzją. Głównym źródłem energii na Słońcu jest reakcja syntezy netto, w której cztery jądra wodoru łączą się i ostatecznie wytwarzają jedno jądro helu i dwa pozytony.

Jądro helu ma masę o 0,7% mniejszą niż cztery jądra wodoru; ta utracona masa jest przekształcana w energię podczas fuzji. Ta reakcja wytwarza około 1,7 × 10⁹ do 2,6 × 10⁹ kilodżuli energii na mol wyprodukowanego helu-4, w zależności od szlaku fuzji. Jest to nieco mniej niż energia wytwarzana przez rozszczepienie jądra atomowego jednego mola U-235 (1,8 ×^{10 10} kJ). Jednak fuzja jednego grama helu-4 wytwarza około 6,5 × 10⁸ kJ, czyli więcej niż energia wytworzona przez rozszczepienie jednego grama U-235 (8,5 × 10⁷ kJ). Jest to szczególnie godne uwagi, ponieważ reagenty do fuzji helu są tańsze i znacznie bardziej obfite niż U-235.

Ustalono, że jądra ciężkich izotopów wodoru, deuteronu i trytonu, ulegają fuzji termojądrowej w ekstremalnie wysokich temperaturach, tworząc jądro helu i neutron. Zmiana ta przebiega z utratą masy o 0,0188 amu, co odpowiada uwolnieniu 1,69 × 10⁹ kilodżuli na mol utworzonego helu-4. Bardzo wysoka temperatura jest niezbędna, aby nadać jądrom wystarczającą energię kinetyczną, aby pokonać bardzo silne siły odpychające wynikające z dodatnich ładunków na ich jądrach, aby mogły się zderzyć.

Użyteczne reakcje termojądrowe wymagają bardzo wysokich temperatur do ich zainicjowania – około 15 000 000 K lub więcej. W tych temperaturach wszystkie cząsteczki dysocjują na atomy, a atomy jonizują, tworząc plazmę. Warunki te występują w ekstremalnie dużej liczbie miejsc we Wszechświecie – gwiazdy są zasilane przez fuzję jądrową.

Stworzenie reaktorów termojądrowych jest trudnym zadaniem, ponieważ żadne materiały stałe nie są stabilne w tak wysokich temperaturach, a urządzenia mechaniczne nie są w stanie zatrzymać plazmy, w której zachodzą reakcje fuzji. Obecnie przedmiotem intensywnych badań są dwie techniki zatrzymywania plazmy o gęstości i temperaturze niezbędnej do przeprowadzenia reakcji termojądrowej: powstrzymanie przez pole magnetyczne w reaktorze tokamakowym oraz zastosowanie skupionych wiązek laserowych. Jednak obecnie na świecie nie działa żaden samopodtrzymujący się reaktor termojądrowy, chociaż kontrolowane reakcje termojądrowe na małą skalę są prowadzone przez bardzo krótkie okresy.

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/21-4-transmutation-and-nuclear-energy”>Openstax, Chemia 2e, Sekcja 21.4: Transmutacja i energia jądrowa.