fusjon (kjernefysikk)

For å få en fusjonsreaksjon i gang må to atomkjerner sendes mot hverandre med stor energi. Kjernene er begge positivt ladet, og derfor frastøter de i utgangspunktet hverandre på grunn av Coulomb-kraften. Dersom kjernene har tilstrekkelig energi, kan de likevel overvinne den frastøtende Coulomb-kraften og komme så nært hverandre at den tiltrekkende kjernekraften tar overhånd. Dette fører til at fusjon finner sted i form av en sammensmelting av atomkjernene.

Tyngre kjerner kan dannes ved fusjon, men den energien som frigjøres, er svært liten. For å fusjonere tunge atomkjerner må det tilføres mye energi, og dermed er det ingen netto energigevinst ved en slik prosess. Derfor er det bare dannelse av alfapartikler ved fusjon av lette atomkjerner som protoner, deuteroner, tritiumkjerner og helium-3-kjerner (³He) som har praktisk betydning, siden disse prosessene gir størst energiutbytte.

I laboratorier kan fusjon i liten målestokk foregå ved at kjerner som er tilført energi i en akselerator, skytes mot kjerner som er i ro. Eksperimenter av denne typen er av grunnleggende betydning for forståelsen av prosessen, men den energien som frigjøres, vil være langt mindre enn den som trengs for å utføre eksperimentet.

Fusjon i større målestokk foregår som termonukleære reaksjoner. Kjernene som skal reagere, tilføres da først så mye energi i en oppvarmings- eller antennelsesprosess at fusjon kommer i gang, og deretter frigjøres det nok energi til at prosessen holdes ved like eller øker i intensitet.

Stellar fusjon er årsaken til at stjernene kan stråle ut betydelige energimengder uten å avkjøles. Utgangsmaterialet i den stellare fusjonsprosessen er protoner, og sluttproduktet er alfapartikler. Man regner med to dominerende prosesser: karbonsyklusen og proton-proton-kjeden.

I karbonsyklusen, som ble foreslått av Hans A. Bethe og Carl Friedrich von Weizsäcker i 1936, fanges protoner inn av karbonisotopen ¹²C. Dette fører til at det dannes ¹³N, som ved beta-henfall (beta-desintegrasjon) går over til ¹³C. Ved protoninnfanging går dette over til ¹⁴N, som omdannes videre til ¹⁵O. ¹⁵O går over til ¹⁵N, som ved protonbombardement går over til ¹²C og en alfapartikkel. Sluttresultatet blir derfor at 4 protoner går over til en alfapartikkel og to elektroner, mens ¹²C bare har vært med som en katalysator for prosessen.

I proton-proton-kjeden, som ble foreslått som en alternativ reaksjon av Bethe og Critschfield, bygges alfapartiklene opp direkte gjennom deuteroner og ³He-kjerner. I begge tilfellene frigjøres det en energimengde på om lag 27 MeV for hver alfapartikkel som dannes.

I Sola og stjerner med tilsvarende temperatur (20 millioner kelvin) synes de to prosessene å foregå omtrent med samme hyppighet. Proton-proton-kjeden dominerer i stjerner med lavere temperatur, mens karbonsyklusen dominerer ved høyere temperaturer.

Ukontrollert fusjon, også kalt eksplosiv fusjon, foregår i kjernevåpen (hydrogenbomber) og eksplosiver. Som utgangsmateriale brukes vanligvis deuteroner og tritium, som ved fusjon går over til alfapartikler og nøytroner. Prosessen kan startes ved eksplosjon av en mindre fisjonsbombe (uranbombe).

Ved kontrollert fusjon har man som mål å bruke den frigjorte energien til for eksempel drift av elektriske generatorer, og på den måten utnytte fusjon som en energikilde i samfunnet. Man ønsker da en vedvarende og ikke for voldsom energiutvikling. Frem til nå har man ikke funnet noen effektiv metode for kontrollert fusjon, men det drives intens forskning for å løse problemet. Dersom dette lykkes, vil man ha frembrakt en energikilde som kan ansees som uuttømmelig sammenlignet med våre nåværende ressurser av kull og olje og også av uran.

Prosessene det arbeides med, er deuterium–tritium- (D–T) og deuterium–deuterium- (D–D)-prosessen. I D–T-prosessen dannes en alfapartikkel og et nøytron, og det frigjøres samtidig en energimengde på 17,6 MeV (megaelektronvolt), det vil si 4 millioner ganger den energi som det frigjøres per molekyl når karbon forbrenner og det dannes karbondioksid.

I D–D-prosessen, hvor det dannes tritium eller ³He og protoner eller nøytroner, frigjøres det ca. 4 MeV i hver reaksjon, og antennelsestemperaturen er en faktor 10 høyere enn for D–T-prosessen. Likevel foretrekkes D–D-prosessen, fordi tritium er et kostbart og vanskelig tilgjengelig stoff å gå ut fra.