Para obtener una reacción de fusión nuclear los átomos implicados deben superar una barrera importante barrera de fuerzas electrostáticas. Debido a las fuerzas electroestáticas dos núcleos sin electrones se repelen entre sí. Esta repulsión está provocada por los protones que tienen carga positiva. Sin embargo, si dos núcleos se pueden acercar lo suficiente, la repulsión electrostática se puede superar por el efecto cuántico en el que los núcleos pueden hacer un túnel a través de las fuerzas de coulomb.
Cuando un nucleón como un protón o neutrón se agrega a un núcleo, la fuerza nuclear lo atrae a todos los demás nucleones del núcleo (si el átomo es lo suficientemente pequeño), pero principalmente a sus vecinos inmediatos debido al corto alcance de la fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más nucleones vecinos que los de la superficie.
Dado que los núcleos más pequeños tienen una relación superficie/volumen de superficie mayor, la energía de unión por nucleón debido a la fuerza nuclear generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo con un diámetro de aproximadamente cuatro nucleones.
Fuerza electroestática
La fuerza electrostática, por otro lado, es una fuerza de cuadrado inverso, por lo que un protón agregado a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón debido a la fuerza electrostática aumenta así sin límite a medida que crece el número atómico del núcleo.
El resultado neto de las fuerzas nucleares electrostáticas y fuertes opuestas es que la energía de unión por nucleón generalmente aumenta al aumentar el tamaño, hasta los elementos hierro y níquel, y luego disminuye para núcleos más pesados. Finalmente, la energía de unión se vuelve negativa y los núcleos muy pesados no son estables.
Una excepción a esta tendencia general es el núcleo de helio-4, cuya energía de unión es mayor que la del litio, el siguiente elemento más pesado. Esto se debe a que los protones y los neutrones son fermiones, que según el principio de exclusión de Pauli no pueden existir en el mismo núcleo exactamente en el mismo estado. El estado de energía de cada protón o neutrón en un núcleo puede acomodar tanto una partícula giratoria como una partícula giratoria. El helio-4 tiene una energía de unión anormalmente grande porque su núcleo consta de dos protones y dos neutrones, por lo que sus cuatro nucleones pueden estar en el estado fundamental. Cualquier nucleón adicional tendría que entrar en estados de mayor energía. De hecho, el núcleo de helio-4 está tan estrechamente unido que comúnmente se trata como una partícula mecánica cuántica en la física nuclear, a saber, la partícula alfa.
La situación es similar si se unen dos núcleos. A medida que se acercan, todos los protones en un núcleo repelen a todos los protones en el otro. No es hasta que los dos núcleos se acerquen lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte pueda hacerse cargo (a modo de túnel) que se supere la fuerza electrostática repulsiva. En consecuencia, incluso cuando el estado de energía final es más bajo, hay una gran barrera de energía que primero debe superarse. Se llama la barrera de Coulomb.
La barrera de Coulomb es la más pequeña para los isótopos de hidrógeno, ya que sus núcleos contienen una sola carga positiva. Un diprotón no es estable, por lo que los neutrones también deben estar involucrados, idealmente de tal manera que un núcleo de helio, con su unión extremadamente apretada, sea uno de los productos.
La sección transversal de la reacción (σ) es una medida de la probabilidad de una reacción de fusión en función de la velocidad relativa de los dos núcleos reactivos. Si los reactivos tienen una distribución de velocidades, por ejemplo, una distribución térmica, entonces es útil realizar un promedio sobre las distribuciones del producto de la sección transversal y la velocidad. Este promedio se llama 'reactividad', denotado σv. La velocidad de reacción (fusiones por volumen por tiempo) es σv veces el producto de las densidades de número de reactivo.
Combustible de deuterio-tritio
El deuterio es uno de los dos isótopos estables de hidrógeno. El núcleo de un átomo de deuterio, llamado deuterón, contiene un protón y un neutrón, mientras que el protio mucho más común no tiene neutrones en el núcleo.
El tritio es un isótopo raro y radiactivo del hidrógeno. El núcleo de tritio contiene un protón y dos neutrones, mientras que el núcleo del isótopo común hidrógeno-1 contiene solo un protón, y el de hidrógeno-2 (deuterio) contiene un protón y un neutrón.
Usando combustible de deuterio-tritio, la barrera de energía resultante es de aproximadamente 0.1 MeV. En comparación, la energía necesaria para eliminar un electrón del hidrógeno es 13.6 eV, aproximadamente 7500 veces menos energía. El resultado (intermedio) de la fusión es un núcleo inestable de 5 He, que inmediatamente expulsa un neutrón con 14.1 MeV. La energía de retroceso del núcleo restante de 4 He es de 3.5 MeV, por lo que la energía total liberada es de 17.6 MeV. Esto es muchas veces más de lo que se necesitaba para superar la barrera energética.
La velocidad de reacción de fusión aumenta rápidamente con la temperatura hasta que se maximiza y luego disminuye gradualmente. La tasa de DT alcanza su punto máximo a una temperatura más baja (aproximadamente 70 keV, u 800 millones de kelvin) y a un valor más alto que otras reacciones comúnmente consideradas para la energía de fusión.
