En la física y la química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual las partículas atómicas múltiples ensamblan juntas para formar un núcleo más pesado. Es acompañada por el lanzamiento o la absorción de la energía . El hierro y los núcleos del níquel tienen las energías de enlace más grande por el nucleón de todos los núcleos y por lo tanto son los más estables. La fusión del alumbrador de dos núcleos que el hierro o el níquel lanza generalmente energía mientras que la fusión de los núcleos más pesados que el hierro o el níquel

La fusión nuclear ocurre naturalmente en estrellas. La fusión artificial en empresas humanas también se ha alcanzado, aunque esté controlada no todavía totalmente. El edificio sobre los experimentos de la transmutación nuclear del Rutherford de Ernesto hecho algunos años anterior, fusión de los núcleos ligeros (isótopos del hidrógeno) primero fue observado por la marca Oliphant en 1932, y los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en estrellas fue resuelto posteriormente por el Juan Bethe a través del resto de esa década. La investigación en la fusión para los propósitos militares comenzó en los años 40 tempranos, como parte del proyecto de Manhattan, pero no era acertada hasta 1952. La investigación en la fusión controlada para los propósitos civiles comenzó en los años 50, y continúa a este día.

Descripción

Las reacciones de fusión accionan las estrellas y producen todos pero los elementos más ligeros de un llamado de proceso Nucleosynthesis . ¡supernova y otros tipos de nucleosynthesis específico. --> mientras que la fusión de elementos ligeros en las estrellas lanza energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía, así que puede ocurrir solamente en las condiciones extremadamente de gran energía de las explosiones de la supernova .

Cuando la reacción de fusión es una cadena incontrolada continua, puede dar lugar a una explosión termonuclear, tal como eso generada por una bomba de hidrógeno . Las reacciones que no son independientes económicamente pueden todavía lanzar considerable energía, así como una gran cantidad de neutrones

La investigación en la fusión controlada, con la puntería de producir la energía de fusión para la producción de electricidad, se ha conducido por más de 50 años. Ha sido acompañada por dificultades científicas y tecnológicas extremas, y en fecha con todo no ha sido acertada en presentar diseños realizables. En fecha el presente, las únicas reacciones de fusión independientes económicamente producidas por los seres humanos se han producido en bombas de hidrógeno, donde está necesaria la energía extrema de una bomba de fisión comenzar el proceso. Mientras que algunos planes se han presentado para intentar utilizar las explosiones de las bombas de hidrógeno para generar la electricidad (e. MARCAPASOS ), ningunos de éstos han movido nunca lejano más allá de la etapa de diseño.

Lleva considerable energía los núcleos al fusible, incluso ésos de la fuerza del elemento más ligero, hidrógeno . Esto es porque todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones), y como como cargas rechaza, los núcleos resiste fuerte el ser puesto demasiado cerca junto. Acelerado a las velocidades (es decir, calentado a las temperaturas termonucleares ), sin embargo, los pueden superar esta repulsión electromágnetica y conseguir bastante cercanos para la fuerza nuclear fuerte ser activos, alcanzando la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, creando un núcleo más pesado y un neutrón libre, lanzará generalmente más energía que tomó para forzarlos el proceso exotérmico together-an que puede producir reacciones independientes económicamente.

La energía lanzada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho más grande que ésa en las reacciones químicas porque la energía de enlace que mantiene un núcleo unido es lejos mayor que la energía que sostiene los electrones a un núcleo. Por ejemplo, la energía de ionización ganada agregando un electrón a un núcleo del hidrógeno es los electronvoltios 13.6 - menos que el uno-millonésimo 17  El MeV lanzó en la reacción de despegue (deuterio - tritio ) demostrada a la derecha superior. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayores que la fisión nuclear - es decir, por la unidad de masa las reacciones producen energías lejos mayores, aunque las reacciones individuales de la fisión del son generalmente mucho más enérgias que la fusión individual del reacción-que son ellos mismos millones de épocas más enérgias que reacciones químicas. Solamente la conversión directa de la masa en la energía, por ejemplo con la colisión de la antimateria de la materia y, es más enérgia por la unidad de masa que la fusión nuclear.

Requisitos

Una barrera substancial de energía debe ser superada antes de que la fusión pueda ocurrir. En las distancias grandes dos núcleos desnudos rechazan uno otro debido a la fuerza electrostática repulsivo entre sus protones cargados positivamente - . Si dos núcleos se pueden traer cerca bastante juntos, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar por la fuerza nuclear que es más fuerte en las distancias cercanas.

Cuando un nucleón tal como un protón o neutrón se agrega a un núcleo, la fuerza nuclear lo atrae a otros nucleones, pero sobre todo a sus vecinos inmediatos debido al de corto alcance de la fuerza. Los nucleones dentro de un núcleo tienen nucleones más vecinos que ésos en la superficie. Puesto que núcleos más pequeños tienen un cociente superficial más grande del área-a-volumen, la energía de enlace por el nucleón debido a las granes fuerzas aumenta generalmente con el tamaño del núcleo pero de acercamientos un valor límite que corresponde a el de un nucleón completamente rodeado.

La fuerza electrostática, por una parte, es una fuerza del inverso-cuadrado, así que un protón agregado a un núcleo sentirá una repulsión electrostática del todo el los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por el nucleón debido a la fuerza electrostática aumenta así sin límite mientras que los núcleos consiguen más grandes.

El beneficio neto de estas fuerzas de oposición es que la energía de enlace por el nucleón aumenta generalmente con el aumento de tamaño, hasta el hierro de los elementos y el níquel, y después disminuye para núcleos más pesados. Eventual, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos muy pesados no son estables. Los cuatro núcleos lo más firmemente posible limitados, por orden decreciente de la energía de enlace, son ⁶²Ni, ⁵⁸Fe, ⁵⁶Fe, y ⁶⁰Ni. Aunque el isótopo, ⁶²Ni del níquel, es más estable, el isótopo ⁵⁶Fe del hierro es una orden de la magnitud más común. Esto es debido a una mayor tarifa de desintegración para ⁶²Ni dentro de las estrellas conducidas por la absorción del fotón.

Una excepción notable a esta tendencia general es el núcleo del helio -4, cuya energía de enlace es más alta que la del litio, el elemento más pesado siguiente. El principio de exclusión de Pauli proporciona una explicación para este &mdash excepcional del comportamiento; dice que porque los protones y los neutrones son los fermios no pueden existir en exactamente el mismo estado. Cada estado de energía del protón o del neutrón en un núcleo puede acomodar una vuelta encima de la partícula y una partícula de la vuelta abajo. Helium-4 tiene una energía de enlace anómalo grande porque su núcleo consiste en dos protones y dos neutrones; tan los cuatro de sus nucleones pueden estar en el estado de tierra. Cualquier nucleón adicional tendría que entrar estados de una energía más alta.

La situación es similar si se reúnen dos núcleos. Pues se acercan, todos los protones en un núcleo rechazan todos los protones en el otro. No hasta que los dos núcleos vienen realmente en contacto pueden la fuerza nuclear fuerte asumir el control. Por lo tanto, incluso cuando el estado de energía final es más bajo, hay una barrera grande de energía que debe primero ser superada. Se llama la barrera del culombio.

La barrera del culombio es la más pequeña para los isótopos de hidrógeno-ellos contiene solamente una sola carga positiva en el núcleo. Un BI-protón no es estable, así que los neutrones deben también estar implicados, ideal de una manera tal que un núcleo del helio, con su atascamiento extremadamente apretado, sea uno de los productos.

Usar el combustible del deuterio-tritio, la barrera de energía resultante está sobre 0. En la comparación, la energía necesaria para quitar un electrón del hidrógeno es 13.6  eV, cerca de 750 veces menos energía. El resultado (del intermedio) de la fusión es un núcleo inestable de ⁵He, que expulsa inmediatamente un neutrón con 14. La energía de retroceso del núcleo restante de ⁴He es 3.5  El MeV, así que la energía total liberada es 17. Ésta es muchas veces más que cuál era necesario superar la barrera de energía.

Si la energía para iniciar la reacción viene que acelera uno de los núcleos, el proceso se llama fusión de la viga-blanco del ; si se aceleran ambos núcleos, es fusión de la viga-viga del . Si los núcleos son parte de un plasma cerca de equilibrio termal, uno habla de la fusión termonuclear del . La temperatura es una medida de la energía cinética medio de partículas, así que calentando los núcleos ganarán energía y tendrán eventual bastantes para superar este 0. Convertir las unidades entre los electronvoltios y los kelvins demuestra que la barrera sería superada en una temperatura superior a 120 millones de kelvins, obviamente un muy de alta temperatura.

Hay dos efectos que ese más bajo la temperatura real necesitó. Uno es el hecho de que la temperatura es la energía cinética del promedio del, implicando que algunos núcleos en esta temperatura tendrían realmente energía mucho más alta que 0.01  MeV, mientras que otros serían mucho más bajos. Es los núcleos en la cola de gran energía de la distribución de la velocidad que explican la mayor parte de las reacciones de fusión. El otro efecto es Quantum que hace un túnel . Los núcleos no tienen que realmente tener bastante energía para superar la barrera del culombio totalmente. Si tienen casi bastante energía, pueden hacer un túnel a través de la barrera restante. Por esta razón el combustible en temperaturas más bajas todavía experimentará acontecimientos de la fusión, a una tarifa más baja.

El σ seccionado transversalmente de la reacción es una medida de la probabilidad de una reacción de fusión en función de la velocidad relativa de los dos núcleos el reactivo. Si los reactivo tienen una distribución de velocidades, e. una distribución termal con la fusión termonuclear, después ella es útil para realizar un promedio sobre las distribuciones del producto de la sección representativa y de la velocidad. La tarifa de la reacción (fusiones por volumen por tiempo) es tiempos del <σv> el producto de las densidades del número el reactivo: $f\; del$

l = n_1 n_2 \ langle \ sigma v \ rangle

Si una especie de núcleos está reaccionando consigo mismo, tal como la reacción de la DD, después el producto $n\_1n\_2$ debe ser substituido por el $(el\; 1/2)\; n^2$.

el $\backslash \; el\; langle\; \backslash \; la\; sigma\; v\; \backslash \; rangle$ aumenta de virtualmente cero en las temperaturas ambiente hasta magnitudes significativas en las temperaturas del &ndash 10 ;   100 ; keV. En estas temperaturas, bien sobre las energías típicas de la ionización (13.6  el eV en la caja del hidrógeno), los reactivo de la fusión existe en un estado del plasma .

La significación del <σv> en función de la temperatura en un dispositivo con un rato particular del confinamiento de la energía es encontrada considerando el criterio de Lawson.

Métodos del confinamiento del combustible

Gravitacional

Una fuerza capaz de confinar el pozo del combustible bastante para satisfacer el criterio de Lawson es gravedad. La masa necesaria, sin embargo, es tan grande que el confinamiento gravitacional está encontrado solamente en las estrellas (el más pequeño cuyo son los enanos de Brown . Incluso si el deuterio más reactivo del combustible fue utilizado, un mayor total que el Júpiter del planeta sería necesario. ¡decir cuánto pienso… -->

Magnético el del de

considera la energía de la fusión por confinamiento magnético para más información. Los iones cargados del combustible de la fusión siguen órbitas espirales alrededor de líneas del campo magnético (véase el center#Gyration rector ), y el combustible por lo tanto se atrapa a lo largo de las líneas de campo. Una variedad de configuraciones magnéticas existen, incluyendo las geometrías toroidales de los tokamaks y los estelarátores y los sistemas ampliables del confinamiento del espejo.

De inercia el del de

considera la energía de inercia de la fusión para más información. Un tercer principio del confinamiento es aplicar un pulso rápido de la energía a una parte grande de la superficie de una pelotilla del combustible de la fusión, causándola simultáneamente al " implode" y calor mismo a la alta presión y a la temperatura. Si el combustible es bastante denso y bastante caliente, la tarifa de la reacción de fusión será arriba bastante quemar una fracción significativa del combustible antes de que se haya disipado. Para alcanzar estas condiciones extremas, el combustible inicialmente frío debe ser explosivo comprimido. El confinamiento de inercia se utiliza en la bomba de hidrógeno, donde está las radiografías el conductor creadas por una bomba de fisión. El confinamiento de inercia también se intenta en " controlled" la fusión nuclear, donde está un laser, el ion, o viga el conductor del electrón, o un Z-pellizca . Algunos otros principios del confinamiento se han investigado, por ejemplo la fusión Muon-catalizada, el fusor de Farnsworth-Hirsch y el Polywell (confinamiento electrostático de inercia ), y la fusión de la burbuja.

Métodos de producción

Una variedad de métodos se saben para efectuar la fusión nuclear. Algo es " cold" en el sentido terminante que no hay parte del material caliente (a excepción de los productos de la reacción), algo es " cold" en el sentido limitado que el bulto del material está en una temperatura relativamente baja y una presión pero no son los reactivo, y algo está el " hot" métodos de fusión que crean regiones macroscópicas mismo de temperatura alta y de presión.

Fusión localmente fría

la fusión Muon-catalizada del

es un proceso establecido y reproductivo de la fusión que ocurre en las temperaturas ordinarias. Fue estudiada detalladamente por el Steven Jones en el principios de los 80. No se ha divulgado para producir la energía neta. La producción energética neta de esta reacción no se cree para ser posible debido a la energía requerida para crear el Muons su 2.2  período de los µs, y la ocasión que un muon atará a la partícula alfa del nuevo y parará así el catalizar de la fusión.
" del

; " de la fusión fría ; también refiere a un método simple usar los electrodos en el agua pesada, que no se ha verificado para ser posible.

Fusión generalmente fría, localmente caliente

El acelerador basó la fusión del luz-ion. Usar aceleradores de partícula es posible alcanzar las energías cinéticas de la partícula suficientes inducir muchos las reacciones de fusión ligeras del ion. De importancia particular en esta discusión son los dispositivos designados dispositivos de los generadores del neutrón del sellar-tubo estos pequeños son aceleradores de partícula miniatura llenaron del gas del deuterio y del tritio en un arreglo que permita que los iones de estos núcleos sean acelerados contra blancos del hidruro, también conteniendo el deuterio y el tritio, donde ocurre la fusión. Los centenares de generadores del neutrón se producen anualmente para el uso en la industria petrolera donde se utilizan en el equipo de medida para localizar y trazar reservas de petróleo. A pesar de informes periódicos en la prensa popular por los científicos que demandan haber inventado el " tabla-top" las máquinas de la fusión, generadores del neutrón han estado alrededor para el medio siglo. Los tamaños de estos dispositivos varían pero los instrumentos más pequeños se empaquetan a menudo de tamaños más pequeños que un pan del pan. Estos dispositivos no producen una salida de energía neta.

en el Sonoluminescence, las ondas expansivas acústicas crea las burbujas temporales que se derrumban poco después de la creación, produciendo mismo temperaturas altas y presiones. Taleyarkhan divulgó la posibilidad que la fusión de la burbuja ocurre en esas burbujas que se derrumban (sonofusion del aka). En fecha 2005, los experimentos para determinar si está ocurriendo la fusión dan resultados contradictorios. Si está ocurriendo la fusión, es porque la temperatura y la presión locales son suficientemente altas producir la fusión caliente. En un episodio del horizonte, en la televisión de la BBC, fue demostrado concluyente que, aunque las temperaturas fueran alcanzadas cuáles podrían iniciar la fusión en un gran escala, ocurría ninguna fusión, y las inexactitudes en el sistema de medición eran la causa de resultados anómalos.
El Farnsworth-Hirsch Fusor es un dispositivo tablero en el cual la fusión ocurre. Esta fusión viene de las altas temperaturas eficaces producidas por la aceleración electrostática de iones. El dispositivo se puede construir económicamente, pero no puede también producir una salida de energía neta.
el Antimateria-inicializó pequeñas cantidades de las aplicaciones de la fusión de la antimateria para accionar una explosión de fusión minúscula. Esto se ha estudiado sobre todo en el contexto de hacer la propulsión nuclear del pulso factible. Esto no está cerca de convertirse en una fuente de energía práctica, debido al coste de fabricar antimateria solamente.
La fusión de Pyroelectric fue divulgada en abril de 2005 por un equipo en el UCLA . Los científicos utilizaron un heated cristalino pyroelectric de − 34 a 7°C (− 30 a 45°F), combinado con una aguja del tungsteno para producir un campo eléctrico alrededor de 25  gigavolts por el metro para ionizar y para acelerar núcleos del deuterio en una blanco del deuteride del erbio. La energía de los iones del deuterio generados por el cristal no se ha medido sin embargo directo, el 100  usado los autores; keV (una temperatura alrededor de 10⁹  K ) como estimación en su modelado. En estos niveles de energía, dos núcleos del deuterio pueden fundirse juntos para producir un núcleo Helium-3, un 2.45  Neutrón del MeV y Bremsstrahlung . Aunque haga un generador útil del neutrón, el aparato no se piensa para la producción de energía puesto que requiere lejos más energía que él produce.

Fusión caliente

En " standard" " hot" la fusión, el combustible alcanza enormes temperatura y presión dentro de un reactor de fusión o del arma nuclear .

Los métodos en el segundo grupo son ejemplos de los sistemas del desequilibrio, en los cuales mismo las temperaturas altas y las presiones se producen en una región relativamente pequeña adyacente al material de una temperatura mucho más baja. En su tesis doctoral para MIT, el jinete de Todd hizo un estudio teórico de todo quasineutral, isotrópico, sistemas de la fusión del desequilibrio. Él demostró que todos tales sistemas se escaparán energía a una tarifa rápida debido a Bremsstrahlung, radiación producida cuando los electrones en el plasma golpean otros electrones o iones en una temperatura más fresca y deceleran repentinamente. El problema no está según lo pronunciado en un plasma caliente porque la gama de temperaturas, y así la magnitud de la desaceleración, es mucho más bajas. Observar que el trabajo del jinete no se aplica a las plasmas no-neutrales y/o anisotrópicas del desequilibrio.

¡Reactions< importante! -- Esta sección se liga de la energía de fusión -->

Cadenas astrofísicas de la reacción

El proceso más importante de la fusión de la naturaleza es el que acciona las estrellas. El beneficio neto es la fusión de cuatro protones en una partícula alfa, con el lanzamiento de dos positrones, de dos neutrinos (que cambia dos de los protones en los neutrones), y de la energía, pero varias reacciones individuales están implicadas, dependiendo de la masa de la estrella. Para las estrellas el tamaño del sol o el más pequeño, la cadena del Protón-protón domina. En estrellas más pesadas, el ciclo CNO es más importante. Ambos tipos de procesos son responsables de la creación de nuevos elementos como parte del nucleosynthesis estelar .

En las temperaturas y las densidades en corazones estelares los índices de reacciones de fusión son notorio lentos. Por ejemplo, en la temperatura solar de base (&asymp del T ; 15  MK) y densidad (120  g/cm ³), la tarifa de lanzamiento de la energía es solamente 276  &mdash de mW/cm ³; sobre un cuarto de la tarifa volumétrica en la cual un cuerpo humano de reclinación genera calor. Así, la reproducción de las condiciones estelares de la base en un laboratorio para la producción de la energía de fusión nuclear es totalmente impráctica. Porque las tarifas de la reacción nuclear dependen en gran medida de la temperatura (exp ( E / kT del −)), entonces para alcanzar índices razonables de producción energética en reactores de fusión terrestres 10-100 temperaturas más altas de las épocas (comparadas a los interiores estelares) son &asymp requerido del T ; 0.

Criterios y candidatos a reacciones terrestres

En la fusión artificial, no se obliga al combustible primario que sea protones y temperaturas más altas pueden ser utilizadas, así que las reacciones con secciones representativas más grandes se eligen. Esto implica un criterio más bajo de Lawson, y por lo tanto menos esfuerzo de lanzamiento. Otra preocupación es la producción de neutrones, que activan la estructura del reactor radiológico, pero también tiene las ventajas de permitir la extracción volumétrica de la cría del tritio de la energía y de la fusión. Las reacciones que no lanzan ningún neutrón se refieren como '' aneutronic ''.

Para ser útil como fuente de energía, una reacción de fusión debe satisfacer varios criterios. Debe
el del

sea exotérmico: Esto puede ser obvio, pero limita los reactivo al lado bajo de Z (número de protones) de la curva de la energía de enlace. También hace el helio He-4 el producto más común debido a su atascamiento extraordinario apretado, aunque He-3 y H-3 también aparezcan;
el implica los núcleos bajos del Z : Esto es porque la repulsión electrostática debe ser superada antes de que los núcleos estén bastante cercanos al fusible;
el tiene dos reactivo : En cualquier cosa las densidades menos que estelares, tres colisiones de cuerpo son demasiado improbables. Debe ser observado que en el confinamiento de inercia, ambas densidades y temperaturas estelares están excedidas para compensar los defectos del tercer parámetro del criterio de Lawson, tiempo muy corto del confinamiento de ICF;
el tiene dos o más productos : Esto permite la conservación simultánea de la energía y del ímpetu sin la confianza en la fuerza electromágnetica;
el conserva los protones y los neutrones : Las secciones representativas para la interacción débil son demasiado pequeñas.

Pocas reacciones cumplen estos criterios. Los siguientes son ésos con las secciones representativas más grandes:

Neutronicity, requisito del confinamiento, y densidad de energía

Las reacciones unas de los antedichas pueden en principio ser la base de la producción de la energía de fusión . Además de la temperatura y de la sección representativa discutidas arriba, debemos considerar la energía total del E _fus, la energía de los productos de la fusión del cargado E _ch de los productos de la fusión, y del Z del número atómico del reactivo no-hidrogenado.

La especificación de la reacción de la DD exige algunas dificultades, aunque. Para comenzar con, uno debe hacer un promedio sobre las dos ramas (2) y (3). Más difícil es decidir a cómo tratar el T y el ³ él los productos. T quema tan bien en un plasma del deuterio que es casi imposible extraer del plasma. La d ³ lo reacción optimizan en una temperatura mucho más alta, así que la combustión nuclear en la temperatura de la DD del grado óptimo puede ser baja, así que parece razonable asumir el T pero no el ³ que él consigue consumido y agrega su energía a la reacción neta. Así contaremos la energía de la fusión de la DD como E _fus = (4.5  MeV y la energía en partículas cargadas como E _ch = (4.

Otro aspecto único de la reacción de la DD es que hay solamente un reactivo, que debe ser considerado al calcular la tarifa de la reacción.

Con esta opción, tabulamos los parámetros para cuatro de las reacciones más importantes.

Pérdidas de Bremsstrahlung en plasmas quasineutral, isotrópicas

Los iones que experimentan la fusión en muchos sistemas esencialmente nunca ocurrirán solamente pero serán mezclados con los electrones que en agregado neutralizan la carga eléctrica a granel de los iones y forman un plasma . Los electrones tendrán generalmente una temperatura comparable o mayor que a la de los iones, así que chocarán con los iones y emitirán la radiación de la radiografía de la energía del keV 10-30 (Bremsstrahlung ). The Sun y las estrellas son el opaco a las radiografías, pero esencialmente cualquier reactor de fusión terrestre será óptico enrarecer para las radiografías de esta gama de la energía. Las radiografías son difíciles de reflejar pero se absorben (y se convierten con eficacia en calor) en menos que grueso del milímetro del acero inoxidable (que es parte del protector de un reactor). El cociente de la energía de fusión produjo para radiografiar la radiación perdida a las paredes es una figura del mérito importante. Este cociente se maximiza generalmente en una temperatura mucho más alta que el que maximice la densidad de energía (véase la subdivisión anterior). La tabla siguiente demuestra la temperatura óptima áspera y el cociente de la energía en esa temperatura para varias reacciones.

Ver también

Energía de fusión
El polvo de la luna (regolito ) contiene niveles He-3
Nucleosynthesis
Fusión del helio
Helium-3
Fuente de neutrón
Generador del neutrón
Cronología de la fusión nuclear
Tabla periódica

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Zenithic

Dendryphantes

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