Kernfusion ist der Prozess, durch den zwei oder mehr Atomkerne, oder "Sicherung" zusammentreffen, um einen einzelnen schwereren Kern zu bilden. Das wird gewöhnlich durch die Ausgabe von großen Mengen der Energie begleitet. Fusion ist der Prozess dass Mächte aktive Sterne, die Wasserstoffbombe und einige experimentelle Geräte, die Fusionsmacht für die elektrische Generation untersuchen.

Die Fusion von zwei Kernen mit niedrigeren Massen als Eisen (der, zusammen mit Nickel, die größte Bindungsenergie pro Nukleon hat) veröffentlicht allgemein Energie, während die Fusion von Kernen, die schwerer sind als Eisen, Energie absorbiert. Das Gegenteil ist für den Rückprozess, Atomspaltung wahr. Das bedeutet, dass Fusion allgemein für leichtere Elemente nur, und ebenfalls vorkommt, dass Spaltung normalerweise nur für schwerere Elemente vorkommt. Es gibt äußerste astrophysical Ereignisse, die zu kurzen Perioden der Fusion mit schwereren Kernen führen können. Das ist der Prozess, der nucleosynthesis, die Entwicklung der schweren Elemente während Ereignisse wie Supernova verursacht.

Das Schaffen der erforderlichen Bedingungen für die Fusion auf der Erde ist zum Punkt sehr schwierig, dass es an keiner Skala für protium, das allgemeine leichte Isotop von Wasserstoff vollbracht worden ist, der natürliche Fusion in Sternen erlebt. In Kernwaffen wird etwas von der Energie, die durch eine Atombombe (Spaltungsbombe) veröffentlicht ist, verwendet, um einen Fusionsbrennstoff zusammenzupressen und zu heizen, der schwerere Isotope von Wasserstoff, und auch manchmal Lithium zum Punkt "des Zündens" enthält. An diesem Punkt ist die in den Fusionsreaktionen veröffentlichte Energie genug, um die Reaktion kurz aufrechtzuerhalten. Fusionsbasierte Kernkraft-Experimente versuchen, ähnliche Bedingungen mit viel kleineren Mitteln zu schaffen, obwohl bis heute diese Experimente gescheitert haben, Bedingungen aufrechtzuerhalten, die für das Zünden lange genug für die Fusion erforderlich sind, um eine lebensfähige kommerzielle Macht-Quelle zu sein.

Nach den Kernumwandlungsexperimenten durch Ernest Rutherford, ausgeführt mehrere Jahre früher bauend, wurde die Laborfusion von schweren Wasserstoffisotopen zuerst von Mark Oliphant 1932 vollbracht. Während des Rests dieses Jahrzehnts wurden die Schritte des Hauptzyklus der Kernfusion in Sternen von Hans Bethe ausgearbeitet. Die Forschung in die Fusion zu militärischen Zwecken hat am Anfang der 1940er Jahre als ein Teil des Projektes von Manhattan begonnen, aber das wurde bis 1951 nicht vollbracht (sieh den Gewächshaus-Artikel Kerntest), und die Kernfusion auf einem in großem Umfang in einer Explosion wurde zuerst am 1. November 1952 im Wasserstoffbombe-Test von Ivy Mike ausgeführt.

Die Forschung ins Entwickeln kontrollierter thermonuklearer Fusion zu Zivilzwecken hat auch als Anzahlung in den 1950er Jahren begonnen, und es geht bis jetzt weiter. Zwei Projekte, die Nationale Zünden-Möglichkeit und ITER sind im Prozess, Einträglichkeit nach 60 Jahren von von vorherigen Experimenten entwickelten Designverbesserungen zu erreichen.

Übersicht

Der Ursprung der in der Fusion von leichten Elementen veröffentlichten Energie ist wegen eines Wechselspiels von zwei gegenüberliegenden Kräften, die Kernkraft, die Protone und Neutronen und die Ampere-Sekunde-Kraft anzieht, die Protone veranlasst, einander zurückzutreiben. Die Protone werden positiv beladen und treiben einander zurück, aber sie kleben dennoch zusammen, die Existenz einer anderen als eine Kernanziehungskraft gekennzeichneten Kraft porträtierend. Die starke Kernkraft, die elektrische Repulsion in einer sehr nahen Reihe überwindet. Die Wirkung dieser Kraft wird außerhalb des Kerns nicht beobachtet. Folglich hat die Kraft eine starke Abhängigkeit von der Entfernung, die es eine kurze Reihe-Kraft macht. Dieselbe Kraft reißt auch die Neutronen, oder Neutronen und Protone zusammen zusammen. Weil die Kernkraft stärker ist als die Ampere-Sekunde-Kraft für kleinere Atomkerne, als Eisen und Nickel, diese Kerne von leichteren Kernen durch die Fusion aufbauend, die Extraenergie von der Nettoanziehungskraft dieser Partikeln veröffentlichen. Für größere Kerne, jedoch, wird keine Energie veröffentlicht, da die Kernkraft für kurze Strecken ist und nicht fortsetzen kann, über noch größere Atomkerne zu handeln. So wird Energie nicht mehr veröffentlicht, wenn solche Kerne durch die Fusion gemacht werden (statt dessen, ist Energie in solche Prozesse vertieft).

Fusionsreaktionen von leichten Elementen treiben die Sterne an und erzeugen eigentlich alle Elemente in genanntem nucleosynthesis eines Prozesses. Die Fusion von leichteren Elementen in Sternen veröffentlicht Energie (und die Masse, die es immer begleitet). Zum Beispiel, in der Fusion von zwei Wasserstoffkernen, um Helium zu bilden, wird das sieben Zehntel von 1 Prozent der Masse vom System in der Form der kinetischen Energie oder den anderen Formen der Energie (wie elektromagnetische Radiation) weggetragen. Jedoch absorbiert die Produktion von Elementen, die schwerer sind als Eisen, Energie.

Die Forschung in die kontrollierte Fusion, mit dem Ziel, Fusionsmacht für die Produktion der Elektrizität zu erzeugen, ist seit mehr als 60 Jahren geführt worden. Es ist durch äußerste wissenschaftliche und technologische Schwierigkeiten begleitet worden, aber hat im Gange resultiert. Zurzeit sind kontrollierte Fusionsreaktionen unfähig gewesen, Einträglichkeit zu erzeugen, die kontrollierte Fusionsreaktionen (selbststützt). Bearbeitungsfähige Designs für einen Reaktor, der theoretisch zehnmal mehr Fusionsenergie liefern wird als der Betrag, mussten Plasma zu erforderlichen Temperaturen anheizen (sieh ITER) haben ursprünglich auf dem Plan gestanden, um 2018 betrieblich zu sein, jedoch ist das verzögert worden, und ein neues Datum ist nicht festgesetzt worden.

Es bringt beträchtliche Energie, Kerne zu zwingen, sogar diejenigen des leichtesten Elements, Wasserstoffs durchzubrennen. Das ist, weil alle Kerne eine positive Anklage (wegen ihrer Protone) haben, und als Anklagen zurücktreiben, widerstehen Kerne stark zu nahe zusammengestellt zu werden. Beschleunigt zu hohen Geschwindigkeiten (d. h. geheizt zu thermonuklearen Temperaturen), können sie diese elektrostatische Repulsion überwinden und nah genug für die attraktive Kernkraft werden, um genug stark zu sein, um Fusion zu erreichen. Die Fusion von leichteren Kernen, die einen schwereren Kern und häufig ein freies Neutron oder Proton schafft, veröffentlicht allgemein mehr Energie, als es bringt, um die Kerne zusammen zu zwingen; das ist ein exothermer Prozess, der Selbstunterstützen-Reaktionen erzeugen kann. Wie man denkt, ist die Nationale US-Zünden-Möglichkeit, die lasergesteuerte Trägheitsbeschränkungsfusion verwendet, zur Rentabilitätsfusion fähig.

Die ersten groß angelegten Laserzielexperimente wurden im Juni 2009 durchgeführt, und Zünden-Experimente beginnen Anfang 2011.

In den meisten Kernreaktionen veröffentlichte Energie ist viel größer als in chemischen Reaktionen, weil die Bindungsenergie, die einen Kern zusammenhält, viel größer ist als die Energie, die Elektronen zu einem Kern hält. Zum Beispiel ist die gewonnene Ionisationsenergie durch das Hinzufügen eines Elektrons zu einem Wasserstoffkern — weniger als millionst des veröffentlichten im Tritium des schweren Wasserstoffs (D-T) Reaktion, die im Diagramm nach rechts gezeigt ist. Fusionsreaktionen haben eine Energiedichte, die oft größer ist als Atomspaltung; die Reaktionen erzeugen viel größere Energien pro Einheit der Masse, wenn auch individuelle Spaltungsreaktionen allgemein viel energischer sind als individuelle Fusion, die selbst Millionen von Zeiten sind, die energischer sind als chemische Reaktionen. Nur die direkte Konvertierung der Masse in die Energie, wie das, das durch die annihilatory Kollision der Sache und Antimaterie verursacht ist, ist pro Einheit der Masse energischer als Kernfusion.

Voraussetzungen

Eine wesentliche Energiebarriere von elektrostatischen Kräften muss überwunden werden, bevor Fusion vorkommen kann. In großen Entfernungen treiben zwei nackte Kerne einander wegen der abstoßenden elektrostatischen Kraft zwischen ihren positiv beladenen Protonen zurück. Wenn zwei Kerne nahe genug zusammen jedoch gebracht werden können, kann die elektrostatische Repulsion durch die attraktive Kernkraft überwunden werden, die in nahen Entfernungen stärker ist.

Wenn ein Nukleon wie ein Proton oder Neutron zu einem Kern hinzugefügt wird, zieht die Kernkraft es zu anderen Nukleonen, aber in erster Linie seinen unmittelbaren Nachbarn wegen der kurzen Reihe der Kraft an. Die Nukleonen im Interieur eines Kerns haben mehr benachbarte Nukleonen als diejenigen auf der Oberfläche. Da kleinere Kerne ein größeres Verhältnis der Fläche-zu-bändig haben, nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon wegen der Kernkraft allgemein mit der Größe des Kerns zu, aber nähert sich einem Begrenzungswert entsprechend diesem eines Kerns mit einem Diameter von ungefähr vier Nukleonen. Es ist wichtig zu beachten, dass das obengenannte Bild ein Spielzeugmodell ist, weil Nukleonen Quant-Gegenstände sind, und so, zum Beispiel, da zwei Neutronen in einem Kern zu einander identisch sind, ein vom anderen, solcher als unterscheidend, welcher im Interieur ist, und der auf der Oberfläche ist, ist tatsächlich sinnlos, und die Einschließung der Quant-Mechanik für richtige Berechnungen notwendig ist.

Die elektrostatische Kraft ist andererseits eine Umgekehrt-Quadratkraft, so wird ein zu einem Kern hinzugefügtes Proton eine elektrostatische Repulsion von allen anderen Protonen im Kern fühlen. Die elektrostatische Energie pro Nukleon wegen der elektrostatischen Kraft nimmt so ohne Grenze zu, weil Kerne größer werden.

Das Nettoergebnis dieser gegenüberliegenden Kräfte besteht darin, dass die Bindungsenergie pro Nukleon allgemein mit der zunehmenden Größe, bis zum Element-Eisen und Nickel zunimmt, und dann für schwerere Kerne abnimmt. Schließlich wird die Bindungsenergie negative und sehr schwere Kerne (alle mit mehr als 208 Nukleonen, entsprechend einem Diameter von ungefähr 6 Nukleonen) sind nicht stabil. Die vier am dichtesten bestimmten Kerne, in der abnehmenden Ordnung der Bindungsenergie pro Nukleon, sind, und. Wenn auch das Nickel-Isotop stabiler ist, ist das Eisenisotop eine üblichere Größenordnung. Das ist wegen einer größeren Zerfall-Quote für im Interieur von durch die Foton-Absorption gesteuerten Sternen.

Eine bemerkenswerte Ausnahme zu dieser allgemeinen Tendenz ist das Helium 4 Kern, dessen Bindungsenergie höher ist als dieses von Lithium, dem folgenden schwersten Element. Der Pauli Ausschluss-Grundsatz stellt eine Erklärung für dieses außergewöhnliche Verhalten zur Verfügung — es sagt, dass, weil Protone und Neutronen fermions sind, sie in genau demselben Staat nicht bestehen können. Jedes Proton oder Neutronenergiestaat in einem Kern können sowohl eine Drehung Partikel als auch eine Drehung unten Partikel anpassen. Helium 4 hat eine anomal große Bindungsenergie, weil sein Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht; so können alle vier seiner Nukleonen im Boden-Staat sein. Irgendwelche zusätzlichen Nukleonen würden in höhere Energiestaaten eintreten müssen.

Die Situation ist ähnlich, wenn zwei Kerne zusammengebracht werden. Da sie sich nähern, treiben alle Protone in einem Kern alle Protone im anderen zurück. Erst als die zwei Kerne wirklich in Berührung kommen, kann die starke Kernkraft übernehmen. Folglich, selbst wenn der Endenergiestaat niedriger ist, gibt es eine große Energiebarriere, die zuerst überwunden werden muss. Es wird die Ampere-Sekunde-Barriere genannt.

Die Ampere-Sekunde-Barriere ist für Isotope von Wasserstoff am kleinsten, weil ihre Kerne nur eine einzelne positive Anklage enthalten. Ein diproton ist nicht stabil, so müssen Neutronen auch ideal auf solche Art und Weise beteiligt werden, dass ein Helium-Kern, mit seiner äußerst dichten Schwergängigkeit, eines der Produkte ist.

Mit dem Brennstoff des Tritiums des schweren Wasserstoffs ist die resultierende Energiebarriere ungefähr 0.1 MeV. Im Vergleich musste die Energie umziehen ein Elektron von Wasserstoff ist 13.6 eV, ungefähr 7500mal weniger Energie. Das (zwischen)-Ergebnis der Fusion ist ein nicht stabiler Er Kern, der sofort ein Neutron mit 14.1 MeV vertreibt. Die Rückstoß-Energie des restlichen Er Kern ist 3.5 MeV, so ist die befreite Gesamtenergie 17.6 MeV. Das ist oft mehr als, was erforderlich war, um die Energiebarriere zu überwinden.

Wenn die Energie, die Reaktion zu beginnen, daraus kommt, einen der Kerne zu beschleunigen, wird der Prozess Fusion des Balken-Ziels genannt; wenn beide Kerne beschleunigt werden, ist es Fusion des Balken-Balkens. Wenn die Kerne ein Teil eines Plasmas in der Nähe vom Thermalgleichgewicht sind, wird der Prozess thermonukleare Fusion genannt. Temperatur ist ein Maß der durchschnittlichen kinetischen Energie von Partikeln, so, indem sie die Kerne heizen werden, werden sie Energie gewinnen und schließlich genug haben, um diese 0.1 MeV zu überwinden. Das Umwandeln der Einheiten zwischen electronvolts und kelvin zeigt, dass die Barriere bei einer Temperatur über 120 Millionen kelvins überwunden würde.

Es gibt zwei Effekten, die die wirkliche erforderliche Temperatur senken. Man ist die Tatsache, dass Temperatur die durchschnittliche kinetische Energie ist, andeutend, dass einige Kerne bei dieser Temperatur wirklich viel höhere Energie haben würden als 0.1 MeV, während andere viel niedriger sein würden. Es sind die Kerne im energiereichen Schwanz des Geschwindigkeitsvertriebs, die für die meisten Fusionsreaktionen verantwortlich sind. Die andere Wirkung ist Quant tunneling. Die Kerne müssen genug Energie nicht wirklich haben, die Ampere-Sekunde-Barriere völlig zu überwinden. Wenn sie fast genug Energie haben, können sie Tunnel durch die restliche Barriere. Aus diesen Gründen wird der Brennstoff bei niedrigeren Temperaturen noch Fusionsereignisse bei einer niedrigeren Rate erleben.

Die Reaktionskreuz-Abteilung σ ist ein Maß der Wahrscheinlichkeit einer Fusionsreaktion als eine Funktion der Verhältnisgeschwindigkeit der zwei Reaktionspartner-Kerne. Wenn die Reaktionspartner einen Vertrieb von Geschwindigkeiten, z.B einen Thermalvertrieb mit der thermonuklearen Fusion haben, dann ist es nützlich, einen Durchschnitt über den Vertrieb des Produktes der bösen Abteilung und Geschwindigkeit durchzuführen. Die Reaktionsrate (Fusionen pro Volumen pro Zeit) ist

Wenn eine Art von Kernen mit sich wie die DD Reaktion reagiert, dann muss das Produkt dadurch ersetzt werden.

Zunahmen von eigentlich Null-bei Raumtemperaturen bis zu bedeutungsvollen Umfängen bei Temperaturen von 10-100 keV. Bei diesen Temperaturen, ganz über typischen Ionisationsenergien (13.6 eV im Wasserstofffall), bestehen die Fusionsreaktionspartner in einem Plasmastaat.

Die Bedeutung als eine Funktion der Temperatur in einem Gerät mit einer besonderen Energiebeschränkungszeit wird durch das Betrachten des Kriteriums von Lawson gefunden.

Gravitationsbeschränkung

Eine Kraft, die dazu fähig ist, den Brennstoff ganz gut zu beschränken, um das Kriterium von Lawson zu befriedigen, ist Ernst. Die Masse erforderlich ist jedoch so groß, dass Gravitationsbeschränkung nur in Sternen gefunden wird - sind die am wenigsten massiven zur anhaltenden Fusion fähigen Sterne rot ragt über, während braun, ragt über sind im Stande, schweren Wasserstoff und Lithium zu verschmelzen, wenn sie der genügend Masse sind. In Sternen schwer genug nachdem wird die Versorgung von Wasserstoff in ihren Kernen erschöpft, ihre Kerne (oder eine Schale um den Kern) fangen an, Helium zu Kohlenstoff zu verschmelzen. In den massivsten Sternen (mindestens 8-11 Sonnenmassen) wird der Prozess fortgesetzt, bis etwas von ihrer Energie durch das Schmelzen leichterer Elemente zu Eisen erzeugt wird. Da Eisen eine der höchsten Bindungsenergien hat, sind Reaktionen, die schwerere Elemente erzeugen, allgemein endothermic. Deshalb werden bedeutende Beträge von schwereren Elementen während stabiler Perioden der massiven Sternevolution nicht gebildet, aber werden in Supernova-Explosionen gebildet. Einige leichtere Sterne bilden auch diese Elemente in den Außenteilen der Sterne im Laufe langer Zeiträume der Zeit durch die fesselnde Energie von der Fusion im Inneren des Sterns durch fesselnde Neutronen, die vom Fusionsprozess ausgestrahlt werden.

Alle Elemente, die schwerer sind als Eisen, haben eine potenzielle Energie, in der Theorie zu veröffentlichen. Am äußerst schweren Ende der Element-Produktion können diese schwereren Elemente Energie im Prozess erzeugen, wieder zurück zur Größe von Eisen im Prozess der Atomspaltung gespalten zu werden. Atomspaltung veröffentlicht so Energie, die, manchmal Milliarden von Jahren vor, während stellaren nucleosynthesis versorgt worden ist.

Magnetische Beschränkung

Elektrisch beladene Partikeln (wie Kraftstoffionen) werden magnetischen Feldlinien folgen (sieh Führendes Zentrum). Der Fusionsbrennstoff kann deshalb mit einem starken magnetischen Feld gefangen werden. Eine Vielfalt von magnetischen Konfigurationen, besteht einschließlich der toroidal Geometrie von tokamaks und stellarators und unbegrenzten Spiegelbeschränkungssystemen.

Trägheitsbeschränkung

Ein dritter Beschränkungsgrundsatz soll einen schnellen Puls der Energie zu einem großen Teil der Oberfläche eines Kügelchens des Fusionsbrennstoffs anwenden, es veranlassend, gleichzeitig "zu implodieren" und zum sehr hohen Druck und der Temperatur zu heizen. Wenn der Brennstoff dicht genug und heiß genug ist, wird die Fusionsreaktionsrate hoch genug sein, um einen bedeutenden Bruchteil des Brennstoffs zu verbrennen, bevor es sich zerstreut hat. Um diese äußersten Bedingungen zu erreichen, muss der am Anfang kalte Brennstoff explosiv zusammengepresst werden. Trägheitsbeschränkung wird in der Wasserstoffbombe verwendet, wo der Fahrer durch eine Spaltungsbombe geschaffene Röntgenstrahlen ist. Trägheitsbeschränkung wird auch in "der kontrollierten" Kernfusion versucht, wo der Treiber ein Laser, Ion, oder Elektronbalken oder ein Z-Kneifen ist. Eine andere Methode ist, herkömmliches Material des hochexplosiven Sprengstoffs zu verwenden, um einen Brennstoff zu Fusionsbedingungen zusammenzupressen. Die UTIAS Möglichkeit "Explosivstoff gesteuerte Implosion" wurde verwendet, um stabile, in den Mittelpunkt gestellte und eingestellte hemispherical Implosions zu erzeugen, um Neutronen von D-D Reaktionen zu erzeugen. Die einfachste und direkteste Methode hat sich erwiesen, in einer explodieren vorlassenen stochiometrischen Mischung von Sauerstoff des schweren Wasserstoffs zu sein. Die andere erfolgreiche Methode verwendete eine Miniatur Kompressor von Voitenko, wohin ein Flugzeug-Diaphragma durch die Implosionswelle in eine sekundäre kleine kugelförmige Höhle gesteuert wurde, die reines Benzin des schweren Wasserstoffs an einer Atmosphäre enthalten hat.

Andere Grundsätze

Einige andere Beschränkungsgrundsätze, sind wie muon-katalysierte Fusion, Farnsworth-Hirsch fusor und Polygut (elektrostatische Trägheitsbeschränkung) und Luftblase-Fusion untersucht worden.

Produktionsmethoden

bekannt, bewirkt eine Vielfalt von Methoden Kernfusion. Einige sind im strengen Sinn "kalt", dass kein Teil des Materials heiß ist (abgesehen von den Reaktionsprodukten), sind einige im beschränkten Sinn "kalt", dass der Hauptteil des Materials bei einer relativ niedrigen Temperatur und Druck ist, aber die Reaktionspartner sind nicht, und einige "heiße" Fusionsmethoden sind, die makroskopische Gebiete der sehr hohen Temperatur und des Drucks schaffen.

Muon-katalysierte Fusion

Muon-katalysierte Fusion ist ein fester und reproduzierbarer Fusionsprozess, der bei gewöhnlichen Temperaturen vorkommt. Es wurde im Detail von Steven Jones am Anfang der 1980er Jahre studiert. Wie man berichtet hat, hat es Nettoenergie nicht erzeugt. Die Netz-Energieproduktion von dieser Reaktion kann wegen der Energie nicht vorkommen, die erforderlich ist, muons, ihre 2.2 µs Halbwertzeit und die Chance zu schaffen, dass ein muon zum neuen Alphateilchen binden und so aufhören wird, Fusion zu katalysieren.

Allgemein kalte, lokal heiße Fusion

Gaspedal-basierte Fusion des leichten Ions ist eine Technik mit Partikel-Gaspedalen, um Partikel kinetische Energien zu erreichen, die genügend sind, um Fusionsreaktionen des leichten Ions zu veranlassen. Beschleunigung leichter Ionen ist relativ leicht, und kann auf eine effiziente Weise — alles getan werden, was man braucht, ist eine Vakuumtube, ein Paar von Elektroden und einem Hochspannungstransformator; Fusion kann mit nur 10 kV zwischen Elektroden beobachtet werden. Das Schlüsselproblem mit der Gaspedal-basierten Fusion (und mit kalten Zielen im Allgemeinen) besteht darin, dass Fusionskreuz-Abteilungen viele Größenordnungen tiefer sind als Ampere-Sekunde-Wechselwirkungskreuz-Abteilungen. Deshalb endet die große Mehrheit von Ionen damit, ihre Energie für bremsstrahlung und Ionisation von Atomen des Ziels auszugeben. Als Neutrongeneratoren der gesiegelten Tube gekennzeichnete Geräte sind für diese Diskussion besonders wichtig. Diese kleinen Geräte sind Miniaturpartikel-Gaspedale, die mit schwerem Wasserstoff und Tritium-Benzin in einer Einordnung gefüllt sind, die Ionen dieser Kerne erlaubt, gegen Hydride-Ziele beschleunigt zu werden, auch schweren Wasserstoff und Tritium enthaltend, wo Fusion stattfindet. Hunderte von Neutrongeneratoren werden jährlich für den Gebrauch in der Erdölindustrie erzeugt, wo sie in der Maß-Ausrüstung verwendet werden, um Ölreserven ausfindig zu machen und kartografisch darzustellen. Trotz periodischer Berichte in der populären Presse durch Wissenschaftler, die behaupten, "Tischplatte"-Fusionsmaschinen erfunden zu haben, sind Neutrongeneratoren ringsherum für ein halbes Jahrhundert gewesen. Die Größen dieser Geräte ändern sich, aber die kleinsten Instrumente werden häufig in Größen paketiert, die kleiner sind als ein Laib von Brot. Diese Geräte erzeugen keine Nettomacht-Produktion.

Sonofusion oder Luftblase-Fusion, eine umstrittene Schwankung auf dem Sonolumineszenz-Thema, weist darauf hin, dass akustische Stoß-Wellen, vorläufige Luftblasen (cavitation) schaffend, die sich ausbreiten und kurz nach der Entwicklung zusammenbrechen, Temperaturen und für die Kernfusion genügend Druck erzeugen können.

Farnsworth-Hirsch fusor ist ein Tischplatte-Gerät, in dem Fusion vorkommt. Diese Fusion kommt aus hohen wirksamen durch die elektrostatische Beschleunigung von Ionen erzeugten Temperaturen. Das Gerät kann billig gebaut werden, aber es ist auch unfähig, eine Nettomacht-Produktion zu erzeugen.

Polygut ist eine nichtthermodynamische Gleichgewicht-Maschine, die elektrostatische Beschränkung verwendet, um Ionen in ein Zentrum zu beschleunigen, wo sie zusammen durchbrennen.

Antimaterie-initialisierte Fusion verwendet kleine Beträge der Antimaterie, um eine winzige Fusionsexplosion auszulösen. Das ist in erster Linie im Zusammenhang studiert worden, Kernpulsantrieb und reine H-Bomben ausführbar zu machen. Das ist nicht in der Nähe vom Werden eine praktische Macht-Quelle, wegen der Kosten der Produktionsantimaterie allein.

Fusion von Pyroelectric wurde im April 2005 von einer Mannschaft an UCLA berichtet. Die Wissenschaftler haben einen pyroelectric Kristall verwendet, der von 34 bis 7 °C (29 zu 45 °F) geheizt ist, verbunden mit einer Wolfram-Nadel, um ein elektrisches Feld von ungefähr 25 gigavolts pro Meter zu erzeugen, um Kerne des schweren Wasserstoffs in ein Erbium deuteride Ziel zu ionisieren und zu beschleunigen. Obwohl die Energie der durch den Kristall erzeugten Ionen des schweren Wasserstoffs nicht direkt gemessen worden ist, haben die Autoren 100 keV (eine Temperatur von ungefähr 10 K) als eine Schätzung in ihrem Modellieren verwendet. An diesen Energieniveaus können zwei Kerne des schweren Wasserstoffs zusammen durchbrennen, um ein Helium 3 Kern, ein 2.45 Neutron von MeV und bremsstrahlung zu erzeugen. Obwohl es einen nützlichen Neutrongenerator macht, ist der Apparat für die Energieerzeugung nicht beabsichtigt, da man viel mehr Energie verlangt, als es erzeugt.

Heiße Fusion

In der heißen Fusion erreicht der Brennstoff enorme Temperatur und Druck innerhalb eines Fusionsreaktors oder Sterns.

Die Methoden in der zweiten Gruppe sind Beispiele von Nichtgleichgewicht-Systemen, in denen sehr hohe Temperaturen und Druck in einem relativ kleinen Gebiet neben dem Material der viel niedrigeren Temperatur erzeugt werden. In seiner Doktorthese für MIT hat Todd Rider eine theoretische Studie von allen quasineutral, isotropisch, Nichtgleichgewicht-Fusionssysteme getan. Er hat demonstriert, dass alle diese Systeme Energie an einer schnellen Rate wegen erzeugten bremsstrahlung durchlassen werden, wenn Elektronen im Plasma andere Elektronen oder Ionen bei einer kühleren Temperatur schlagen und sich plötzlich verlangsamen. Das Problem wird in einem heißen Plasma nicht als ausgesprochen, weil die Reihe von Temperaturen, und so der Umfang der Verlangsamung, viel niedriger sind. Bemerken Sie, dass die Arbeit von Rider für das nichtneutrale und/oder anisotropic Nichtgleichgewicht plasmas nicht gilt.

Wichtige Reaktionen

Reaktionsketten von Astrophysical

Der wichtigste Fusionsprozess in der Natur ist derjenige das treibt Sterne an. Das Nettoergebnis ist die Fusion von vier Protonen in ein Alphateilchen, mit der Ausgabe von zwei Positronen, zwei neutrinos (der zwei der Protone in Neutronen ändert), und Energie, aber mehrere individuelle Reaktionen werden abhängig von der Masse des Sterns beteiligt. Für Sterne die Größe der Sonne oder kleiner herrscht die Protonenproton-Kette vor. In schwereren Sternen ist der CNO Zyklus wichtiger. Beide Typen von Prozessen sind für die Entwicklung von neuen Elementen als ein Teil von stellarem nucleosynthesis verantwortlich.

Bei den Temperaturen und Dichten in Sternkernen sind die Raten von Fusionsreaktionen notorisch langsam. Zum Beispiel, bei der Sonnenkerntemperatur (T  15 MK) und Dichte (160 g/cm), ist die Energieausgabe-Rate nur 276 μW/cm — über ein Viertel der volumetrischen Rate, an der ein sich ausruhender menschlicher Körper Hitze erzeugt. So ist die Fortpflanzung von Sternkernbedingungen in einem Laboratorium für die Kernfusionsenergieerzeugung völlig unpraktisch. Weil Kernreaktionsraten stark von Temperatur abhängen (exp (E/kT)), verlangt das Erzielen angemessener Energieproduktionsraten in Landfusionsreaktoren 10-100mal höhere Temperaturen (im Vergleich zum Sterninnere): T  0.1-1.0 GK.

Kriterien und Kandidaten für Landreaktionen

In der künstlichen Fusion wird der primäre Brennstoff nicht beschränkt, Protone zu sein, und höhere Temperaturen können verwendet werden, so werden Reaktionen mit größeren Querschnitten gewählt. Das bezieht ein niedrigeres Kriterium von Lawson, und deshalb weniger Anlauf-Anstrengung ein. Eine andere Sorge ist die Produktion von Neutronen, die die Reaktorstruktur radiologisch aktivieren, sondern auch im Vorteil sind, volumetrische Förderung der Fusionsenergie und Tritium-Fortpflanzung zu erlauben. Reaktionen, die keine Neutronen veröffentlichen, werden aneutronic genannt.

Um eine nützliche Energiequelle zu sein, muss eine Fusionsreaktion mehrere Kriterien befriedigen. Es muss

• Seien Sie exothermic: Das kann offensichtlich sein, aber es beschränkt die Reaktionspartner auf den niedrigen Z (Zahl von Protonen) Seite der Kurve der Bindungsenergie. Es macht auch Helium das allgemeinste Produkt wegen seiner außerordentlich dichten Schwergängigkeit, obwohl und auch auftauchen.
• Schließen Sie niedrige Z Kerne ein: Das ist, weil die elektrostatische Repulsion überwunden werden muss, bevor die Kerne an der Sicherung nah genug sind.
• Haben Sie zwei Reaktionspartner: An nichts weniger als Sterndichten sind drei Körperkollisionen zu unwahrscheinlich. In der Trägheitsbeschränkung werden sowohl Sterndichten als auch Temperaturen überschritten, um die Mängel des dritten Parameters des Kriteriums von Lawson, die sehr kurze Beschränkungszeit von ICF zu ersetzen.
• Haben Sie zwei oder mehr Produkte: Das erlaubt gleichzeitige Bewahrung der Energie und Schwung, ohne sich auf die elektromagnetische Kraft zu verlassen.
• Erhalten Sie sowohl Protone als auch Neutronen: Die bösen Abteilungen für die schwache Wechselwirkung sind zu klein.

Wenige Reaktionen entsprechen diesen Kriterien. Der folgende ist diejenigen mit den größten bösen Abteilungen:

Für Reaktionen mit zwei Produkten wird die Energie zwischen ihnen im umgekehrten Verhältnis zu ihren Massen, wie gezeigt, geteilt. In den meisten Reaktionen mit drei Produkten ändert sich der Vertrieb der Energie. Für Reaktionen, die auf mehr als einen Satz von Produkten hinauslaufen können, werden die sich verzweigenden Verhältnisse gegeben.

Einige Reaktionskandidaten können sofort beseitigt werden. Die Reaktion von D-Li ist im Vorteil im Vergleich zu p-, weil es grob als schwierig ist zu brennen, aber wesentlich mehr Neutronen durch - Seitenreaktionen erzeugt. Es gibt auch eine p-Reaktion, aber die böse Abteilung ist zu niedrig, außer vielleicht, wenn T> 1 MeV, aber bei solchen hohen Temperaturen ein endothermic, direkte neutronerzeugende Reaktion auch sehr bedeutend wird. Schließlich gibt es auch eine p-Reaktion, die nicht nur schwierig ist zu brennen, aber leicht veranlasst werden kann, sich in zwei Alphateilchen und ein Neutron aufzuspalten.

Zusätzlich zu den Fusionsreaktionen sind die folgenden Reaktionen mit Neutronen wichtig, um Tritium in "trockenen" H-Bomben und einigen vorgeschlagenen Fusionsreaktoren "zu gebären":

Um die Nützlichkeit dieser Reaktionen, zusätzlich zu den Reaktionspartnern, den Produkten und der veröffentlichten Energie zu bewerten, muss man etwas über die böse Abteilung wissen. Jedes gegebene Fusionsgerät hat einen maximalen Plasmadruck, den es stützen kann, und ein wirtschaftliches Gerät immer in der Nähe von diesem Maximum funktionieren würde. In Anbetracht dieses Drucks wird die größte Fusionsproduktion erhalten, wenn die Temperatur so dass gewählt wird

Bemerken Sie, dass viele der Reaktionen Ketten bilden. Zum Beispiel schafft ein Reaktor, der damit angetrieben ist, und einige, der dann möglich ist, in - Reaktion zu verwenden, wenn die Energien "richtig" sind. Eine elegante Idee ist, die Reaktionen zu verbinden (8) und (9). Von der Reaktion (8) kann mit in der Reaktion (9) vorher völlig thermalizing reagieren. Das erzeugt ein energisches Proton, das der Reihe nach Reaktion erlebt (8) vorher thermalizing. Ausführliche Analyse zeigt, dass diese Idee nicht arbeiten würde so, aber es ist ein gutes Beispiel eines Falls, wo die übliche Annahme eines Plasmas von Maxwellian nicht passend ist.

Neutronicity, Beschränkungsvoraussetzung und Macht-Dichte

Einige der Reaktionen kann im Prinzip oben die Basis der Fusionsenergieerzeugung sein. Zusätzlich zur bösen und Temperaturabteilung, die oben besprochen ist, müssen wir die Gesamtenergie der Fusionsprodukte E, der Energie der beladenen Fusionsprodukte E und der Atomnummer Z des non-hydrogenic Reaktionspartners denken.

Spezifizierung - Reaktion hat einige Schwierigkeiten zur Folge, dennoch. Zunächst muss man über die zwei Zweige (2) und (3) aufzählen. Schwieriger soll entscheiden, wie man und Produkte behandelt. Brandwunden so gut in einem Plasma des schweren Wasserstoffs, dass es fast zum Extrakt vom Plasma unmöglich ist. - Reaktion wird bei einer viel höheren Temperatur optimiert, so der burnup am Optimum - Temperatur kann niedrig sein, so scheint es angemessen, um, aber nicht das Bekommen ganz verbrannt anzunehmen, und fügt seine Energie zur Nettoreaktion hinzu. So zählen wir - Fusionsenergie als E = (4.03+17.6+3.27)/2 = 12.5 MeV und die Energie in beladenen Partikeln als E = (4.03+3.5+0.82)/2 = 4.2 MeV.

Ein anderer einzigartiger Aspekt - Reaktion besteht darin, dass es nur einen Reaktionspartner gibt, der in Betracht gezogen werden muss, wenn man die Reaktionsrate berechnet.

Mit dieser Wahl tabellarisieren wir Rahmen für vier der wichtigsten Reaktionen

Die letzte Säule ist der neutronicity der Reaktion, der Bruchteil der als Neutronen veröffentlichten Fusionsenergie. Das ist ein wichtiger Hinweis des Umfangs der Probleme, die mit Neutronen wie Strahlungsschaden, biologische Abschirmung, das entfernte Berühren und die Sicherheit vereinigt sind. Für die ersten zwei Reaktionen wird es als (E-E)/E berechnet. Für die letzten zwei Reaktionen, wo diese Berechnung Null geben würde, sind die angesetzten Werte Überschlagsrechnungen, die auf Seitenreaktionen gestützt sind, die Neutronen in einem Plasma im Thermalgleichgewicht erzeugen.

Natürlich sollten die Reaktionspartner auch in den optimalen Verhältnissen gemischt werden. Das ist der Fall, wenn jedes Reaktionspartner-Ion plus seine verbundenen Elektronen für Hälfte des Drucks verantwortlich ist. Annehmend, dass der Gesamtdruck befestigt wird, bedeutet das, dass die Dichte des non-hydrogenic Ions kleiner ist als dieses des hydrogenic Ions durch einen Faktor 2 / (Z+1). Deshalb wird die Quote für diese Reaktionen durch denselben Faktor, oben auf irgendwelchen Unterschieden in den Werten dessen reduziert

So gibt es eine "Strafe" (2 / (Z+1)) für non-hydrogenic Brennstoffe, die aus der Tatsache entstehen, dass sie mehr Elektronen verlangen, die Druck aufnehmen, ohne an der Fusionsreaktion teilzunehmen. (Es ist gewöhnlich eine gute Annahme, dass die Elektrontemperatur fast der Ion-Temperatur gleich sein wird. Einige Autoren, besprechen Sie jedoch die Möglichkeit, dass die Elektronen wesentlich kälter aufrechterhalten werden konnten als die Ionen. In solch einem Fall, der als eine "heiße Ion-Weise bekannt ist," würde die "Strafe" nicht gelten.) Gibt es zur gleichen Zeit einen "Bonus" eines Faktors 2 für - weil jedes Ion mit einigen der anderen Ionen, nicht nur ein Bruchteil von ihnen reagieren kann.

Wir können jetzt diese Reaktionen im folgenden Tisch vergleichen.

Der maximale Wert dessen

Verluste von Bremsstrahlung in quasineutralem, isotropischem plasmas

Die Ionen, die Fusion in vielen Systemen erleben, werden im Wesentlichen allein nie vorkommen, aber werden mit Elektronen gemischt, die in der Anhäufung den Hauptteil der Ionen elektrische Anklage für neutral erklären und ein Plasma bilden. Die Elektronen werden allgemein eine Temperatur haben, die damit vergleichbar ist oder größer ist als dieses der Ionen, so werden sie mit den Ionen kollidieren und Röntgenstrahl-Radiation von 10-30 keV Energie (Bremsstrahlung) ausstrahlen. Die Sonne und Sterne sind zu Röntgenstrahlen undurchsichtig, aber im Wesentlichen wird jeder Landfusionsreaktor für Röntgenstrahlen dieser Energiereihe optisch dünn sein. Röntgenstrahlen sind schwierig nachzudenken, aber sie werden effektiv absorbiert (und in die Hitze umgewandelt) in weniger als Mm-Dicke von rostfreiem Stahl (der ist ein Teil eines Schildes eines Reaktors). Das Verhältnis der Fusionsmacht, die erzeugt ist, um gegen Wände verlorene Radiation zu durchleuchten, ist eine wichtige Zahl des Verdiensts. Dieses Verhältnis wird allgemein bei einer viel höheren Temperatur maximiert als das, was die Macht-Dichte maximiert (sieh den vorherigen Paragraph). Der folgende Tisch zeigt die raue optimale Temperatur und das Macht-Verhältnis bei dieser Temperatur für mehrere Reaktionen.

Die wirklichen Verhältnisse der Fusion zur Macht von Bremsstrahlung werden wahrscheinlich aus mehreren Gründen bedeutsam niedriger sein. Für einen nimmt die Berechnung an, dass die Energie der Fusionsprodukte völlig den Kraftstoffionen übersandt wird, die dann Energie zu den Elektronen durch Kollisionen verlieren, die der Reihe nach Energie durch Bremsstrahlung verlieren. Jedoch, weil sich die Fusionsprodukte viel schneller bewegen als die Kraftstoffionen, werden sie einen bedeutenden Bruchteil ihrer Energie direkt zu den Elektronen aufgeben. Zweitens, wie man annimmt, sind die Ionen im Plasma rein Kraftstoffionen. In der Praxis wird es ein bedeutendes Verhältnis von Unreinheitsionen geben, die dann das Verhältnis senken werden. Insbesondere die Fusionsprodukte selbst müssen im Plasma bleiben, bis sie ihre Energie aufgegeben haben, und eine Zeit danach in jedem vorgeschlagenen Beschränkungsschema bleiben werden. Schließlich sind alle Kanäle des Energieverlustes außer Bremsstrahlung vernachlässigt worden. Die letzten zwei Faktoren sind verbunden. Auf dem theoretischen und experimentellen Boden scheinen Partikel und Energiebeschränkung, nah verbunden zu sein. In einem Beschränkungsschema, das einen guten Job tut, Energie zu behalten, werden sich Fusionsprodukte entwickeln. Wenn die Fusionsprodukte effizient vertrieben werden, dann wird Energiebeschränkung auch schwach sein.

Die Temperaturen, die die Fusionsmacht im Vergleich zu Bremsstrahlung maximieren, sind in jedem Fall höher als die Temperatur, die die Macht-Dichte maximiert und den erforderlichen Wert der Fusion dreifaches Produkt minimiert. Das wird den optimalen Betriebspunkt für - sehr viel nicht ändern, weil der Bruchteil von Bremsstrahlung niedrig ist, aber es wird die anderen Brennstoffe in Regime stoßen, wo die Macht-Dichte hinsichtlich - noch niedriger ist und die erforderliche Beschränkung, die noch schwieriger ist zu erreichen. Für - und - werden Verluste von Bremsstrahlung ein ernster, vielleicht untersagendes Problem sein. Für - p- und p-scheinen die Verluste von Bremsstrahlung, einen Fusionsreaktor zu machen, der diese Brennstoffe mit einem quasineutralen, isotropischen Plasmaunmöglichen verwendet. Einige Auswege aus diesem Dilemma werden betrachtet — und — in Grundsätzlichen Beschränkungen auf Plasmafusionssysteme nicht im thermodynamischen Gleichgewicht von Todd Rider zurückgewiesen. Diese Beschränkung gilt für den nichtneutralen und anisotropic plasmas nicht; jedoch haben diese ihre eigenen Herausforderungen, damit zu kämpfen.

Siehe auch

Weiterführende Literatur

Links

• NuclearFiles.org - hat sich Ein Behältnis von Dokumenten auf die Kernkraft bezogen.
• Kommentierte Bibliografie für die Kernfusion von der Alsos Digitalbibliothek für Kernprobleme

Organisationen

• ITER (Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor) Website
• CCFE (Culham Zentrum für die Fusionsenergie) Website
• STRAHL (Gemeinsamer europäischer Ring) Website