Back to chapter

19.8:

Kernfusie

JoVE Core
Chimie
Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
JoVE Core Chimie
Nuclear Fusion

Langues

Diviser

De combinatie van kleine kernen zoals waterstof om grotere te produceren, zoals helium, wordt kernfusie genoemd. Omdat kernen elektrostatische afstoting moeten overwinnen, vereisen fusiereacties temperaturen van 40 miljoen kelvin of meer en staan daarom bekend als thermonucleaire reacties. Nucliden met massagetallen tussen 40 en 100 hebben hoge bindingsenergieën per nucleon en zijn over het algemeen stabiel.Dus lichtere kernen met lage nucleaire bindingsenergieën per nucleon hebben de neiging om te combineren, wat zwaardere kernen oplevert met hogere bindingsenergieën. Het verschil tussen de nucleaire bindingsenergieën van product-en reactantnucliden genereert een enorme hoeveelheid energie. Met name de energie die vrijkomt bij de vorming van één gram helium-4 is aanzienlijk groter dan die van de splijting van één gram uranium-235.Dus, wordt fusie gebruikt om elektriciteit te produceren? Nou, nog niet! Bij de hoge temperaturen die nodig zijn voor fusie, dissociëren alle moleculen in atomen, die ioniseren en een plasma vormen.Voor dergelijke reacties dient een sterk torusvormig magnetisch veld als reactor. Het efficiënte gebruik ervan is echter nog steeds een technische uitdaging. De fusie van waterstof tot helium is inderdaad een van de belangrijkste waterstofverbrandingsprocessen in hoofdreekssterren zoals de zon.Zodra sterren heliumfusie beginnen, combineren twee heliumkernen zich tot beryllium-8. In tegenstelling tot helium-4 is beryllium-8 zeer onstabiel, waardoor dit een endotherme, gemakkelijk omkeerbare fusiereactie is. Naarmate heliumfusie versnelt, wordt beryllium-8 overvloediger en versmelt het met helium-4, waardoor koolstof-12 in geëxciteerde toestand wordt geproduceerd, dat af en toe ontspant tot stabiel koolstof-12.In massieve sterren produceert een ketting van fusiereacties die worden geïnitieerd door de combinatie van koolstof-12 en helium-4 een reeks elementen tot aan magnesium-24. Aangezien verdere fusiereacties zwaardere nucliden creëren, resulteert het afnemende verschil in bindingsenergie tussen reactanten en producten in minder energie die uit deze reacties wordt geproduceerd. De sequentie eindigt op nikkel-56, dat een van de hoogste bindingsenergieën per nucleon heeft.Zwaardere elementen worden in plaats daarvan geproduceerd door meerdere neutronen-of protonenvangstgebeurtenissen net voor en tijdens de unieke explosies van sterren of supernovae.

19.8:

Kernfusie

The process of converting very light nuclei into heavier nuclei is also accompanied by the conversion of mass into large amounts of energy, a process called fusion. The principal source of energy in the sun is a net fusion reaction in which four hydrogen nuclei fuse and ultimately produce one helium nucleus and two positrons.

A helium nucleus has a mass that is 0.7% less than that of four hydrogen nuclei; this lost mass is converted into energy during the fusion. This reaction produces about 1.7 × 109 to 2.6 × 109 kilojoules of energy per mole of helium-4 produced, depending on the fusion pathway. This is somewhat less than the energy produced by the nuclear fission of one mole of U-235 (1.8 × 1010 kJ). However, the fusion of one gram of helium-4 produces about  6.5 × 108 kJ, which is greater than the energy produced by the fission of one gram of U-235 (8.5 × 107 kJ). This is particularly notable because the reactants for helium fusion are less expensive and far more abundant than U-235 is.

It has been determined that the nuclei of the heavy isotopes of hydrogen, a deuteron and a triton, undergo thermonuclear fusion at extremely high temperatures to form a helium nucleus and a neutron. This change proceeds with a mass loss of 0.0188 amu, corresponding to the release of 1.69 × 109 kilojoules per mole of helium-4 formed. The very high temperature is necessary to give the nuclei enough kinetic energy to overcome the very strong repulsive forces resulting from the positive charges on their nuclei so they can collide.

Useful fusion reactions require very high temperatures for their initiation—about 15,000,000 K or more. At these temperatures, all molecules dissociate into atoms, and the atoms ionize, forming plasma. These conditions occur in an extremely large number of locations throughout the universe—stars are powered by fusion.

It is a challenging task to create fusion reactors because no solid materials are stable at such high temperatures and mechanical devices cannot contain the plasma in which fusion reactions occur. Two techniques to contain plasma at the density and temperature necessary for a fusion reaction are currently the focus of intensive research efforts: containment by a magnetic field in a tokamak reactor and the use of focused laser beams. However, at present there are no self-sustaining fusion reactors operating in the world, although small-scale controlled fusion reactions have been run for very brief periods.

This text is adapted from the Openstax, Chemistry 2e, Section 21.4: Transmutation and Nuclear Energy.