Per obtenir una reacció de fusió nuclear dels àtoms implicats han de superar una barrera important barrera de forces electrostàtiques. A causa de les forces electrostàtiques dos nuclis sense electrons es repel·leixen entre si. Aquesta repulsió està provocada pels protons que tenen càrrega positiva. No obstant això, si dos nuclis es poden acostar prou, la repulsió electrostàtica es pot superar per l'efecte quàntic en el qual els nuclis poden fer un túnel a través de les forces de coulomb.
Quan un nucleó com un protó o neutró s'agrega a un nucli, la força nuclear l'atreu a tots els altres nucleons del ucli (si l'àtom és prou petit), però principalment als seus veïns immediats a causa del urt abast de la força. Els nucleons a l'interior d'un nucli tenen més nucleons veïns que els de la superfície.
Els nuclis més petits tenen una relació superfície / volum de superfície més gran. A causa d'això, l'energia d'unió per nucleó a causa de la força nuclear generalment augmenta amb la mida del ucli, però s'aproxima a un valor límit corresponent a el d'un nucli amb un diàmetre d'aproximadament quatre nucleons.
força electrostàtica
La força electrostàtica, d'altra banda, és una força de quadrat invers, de manera que un protó agregat a un nucli sentirà 1 repulsió electrostàtica de tots els altres protons en el nucli. L'energia electrostàtica per nucleó causa de la força electrostàtica augmenta així sense límit a mesura que creix el nombre atòmic del ucli.
El resultat net de les forces nuclears electrostàtiques i forts oposades és que l'energia d'unió per nucleó generalment augmenta a l'augmentar la mida i després disminueix per nuclis més pesats. Finalment, l'energia d'unió es torna negativa i els nuclis molt pesants no són estables.
Una excepció a aquesta tendència general és el nucli d'heli-4. L'energia d'unió del eli-4 és més gran que la del liti, el següent element més pesat. Això es deu al fet que els protons i els neutrons són fermions. Els fermions, segons el principi d'exclusió de Pauli no poden existir en el mateix nucli exactament en el mateix estat. L'estat d'energia de cada protó o neutró en un nucli pot acomodar tant una partícula giratòria com una partícula giratòria.
L'heli-4 té una energia d'unió anormalment gran perquè el seu nucli consta de dos protons i dos neutrons, per la qual cosa els seus quatre nucleons poden estar en l'estat fonamental. Qualsevol nucleó addicional hauria d'entrar en estats de major energia. De fet, el nucli d'heli-4 està tan estretament unit que comunament es tracta com una partícula mecànica quàntica en la física nuclear, és a dir, la partícula alfa.
La situació és similar si s'uneixen dos nuclis. A mesura que s'acosten, tots els protons en un nucli repel·leixen a tots els protons en l'altre. No és fins que els dos nuclis s'acosten prou com perquè la força nuclear forta pugui fer-se càrrec (a manera de túnel) que se superi la força electrostàtica repulsiva. En conseqüència, fins i tot quan l'estat d'energia final és més baix, hi ha una gran barrera d'energia que primer s'ha de superar. Es diu la barrera de Coulomb.
La barrera de Coulomb és la més petita per als isòtops d'hidrogen, ja que els seus nuclis contenen una sola càrrega positiva. Un diprotón no és estable, de manera que els neutrons també han d'estar involucrats, idealment de tal manera que un nucli d'heli, amb la seva unió extremadament ajustada, sigui un dels productes.
La secció transversal de la reacció (σ) és una mesura de la probabilitat d'una reacció de fusió en funció de la velocitat relativa dels dos nuclis reactius. Si els reactius tenen una distribució de velocitats, per exemple, una distribució tèrmica, llavors és útil fer una mitjana sobre les distribucions del roducte de la secció transversal i la velocitat. Aquesta mitjana es diu 'reactivitat', denotat σv. La velocitat de reacció (fusions per volum per temps) és σv vegades el producte de les densitats de nombre de reactiu.
Combustible de deuteri-triti
El deuteri és un dels dos isòtops estables d'hidrogen. El nucli d'un àtom de deuteri, anomenat deuterón, conté un protó i un neutró, mentre que el protio molt més comú no té neutrons en el nucli.
El triti és un isòtop rar i radioactiu del idrogen. El nucli de triti conté un protó i dos neutrons, mentre que el nucli de l'isòtop comú hidrogen-1 conté només un protó, i el d'hidrogen-2 (deuteri) conté un protó i un neutró.
Usant combustible de deuteri-triti, la barrera d'energia resultant és d'aproximadament 0.1 MeV. En comparació, l'energia necessària per eliminar un electró del idrogen és 13.6 eV, aproximadament 7500 vegades menys energia. El resultat (intermedi) de la fusió és un nucli inestable de 5 He, que immediatament expulsa un neutró amb 14.1 MeV. L'energia de retrocés del ucli restant de 4 He és de 3.5 MeV, de manera que l'energia total alliberada és de 17.6 MeV. Això és moltes vegades més del que es necessitava per superar la barrera energètica.
La velocitat de reacció de fusió augmenta ràpidament amb la temperatura fins que es maximitza i després disminueix gradualment. La taxa d'DT arriba al seu punt màxim a una temperatura més baixa (aproximadament 70 keV, o 800 milions de kelvin) ia un valor més alt que altres reaccions comunament considerades per a l'energia de fusió.
