همجوشی هسته ای (Nuclear fusion)

همجوشی هسته ای واکنشی است که در آن دو یا چند هسته اتمی با هم ترکیب می شوند و هسته بزرگتری را تشکیل می دهند. تفاوت جرم بین واکنش دهنده ها و محصولات…

همجوشی هسته‌ای به عنوان یک واکنش هسته‌ای تعریف می‌شود که در آن دو یا چند هسته اتمی با هم ادغام می‌شوند تا یک هسته واحد و سنگین‌تر را تشکیل دهند. اختلاف جرم بین واکنش دهنده های اولیه و محصولات حاصل به صورت انتشار یا جذب انرژی آشکار می شود. این اختلاف جرم از واریانس انرژی اتصال هسته ای مشاهده شده در هسته های اتمی قبل و بعد از رویداد همجوشی ناشی می شود. اساساً، همجوشی هسته‌ای مکانیزم پرانرژی را تشکیل می‌دهد که همه ستارگان فعال را هدایت می‌کند و از طریق مسیرهای واکنش متنوع عمل می‌کند.

همجوشی هسته‌ای واکنشی است که در آن دو یا چند هسته اتمی با هم ترکیب می‌شوند و هسته بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند. تفاوت جرم بین واکنش دهنده ها و محصولات به صورت آزاد شدن یا جذب انرژی آشکار می شود. این تفاوت در جرم در نتیجه تفاوت در انرژی اتصال هسته ای بین هسته های اتمی قبل و بعد از واکنش همجوشی ایجاد می شود. همجوشی هسته‌ای فرآیندی است که تمام ستارگان فعال را از طریق بسیاری از مسیرهای واکنش نیرو می‌دهد.

دستیابی به فرآیندهای همجوشی مستلزم یک محصول سه‌گانه فوق‌العاده بالا از دما، چگالی و زمان حبس است. چنین شرایط شدیدی به طور طبیعی منحصراً در هسته‌های ستاره‌ها و سلاح‌های هسته‌ای پیشرفته وجود دارد و در حال حاضر در تأسیسات انرژی همجوشی آزمایشی تقریبی می‌شود.

واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که هسته‌های اتمی با جرم کمتر از نیکل-62 ایجاد می‌کنند، معمولاً گرمازا هستند، یک پدیده منحنی منحنی انرژی هسته‌ای مثبت. آسان ترین هسته ها در میان سبک ترین عناصر، به ویژه دوتریوم، تریتیوم و هلیوم-3 یافت می شوند. برعکس، شکافت هسته‌ای، فرآیند مخالف، بیشترین انرژی را هنگام اعمال بر روی هسته‌های بسیار سنگین، به‌ویژه هسته‌های موجود در سری اکتینید، تولید می‌کند.

کاربردهای همجوشی هسته‌ای شامل تولید برق از همجوشی، توسعه سلاح‌های گرما هسته‌ای، سلاح‌های شکافت تقویت‌شده، ایجاد منابع نوترونی و ترکیب عناصر فوق‌العاده است.

تاریخچه

نظریه

در سال 1915، شیمیدان آمریکایی ویلیام دریپر هارکینز در ابتدا مفهوم همجوشی هسته ای را مطرح کرد. توسعه طیف‌سنج جرمی توسط فرانسیس ویلیام استون در سال 1919، مشاهدات را تسهیل کرد که چهار اتم هیدروژن مجموعاً دارای جرم بیشتری از یک اتم هلیوم هستند. در نتیجه، در سال 1920، آرتور ادینگتون به دقت این فرضیه را مطرح کرد که همجوشی هیدروژن به هلیوم می تواند به عنوان منبع اصلی انرژی برای ستارگان عمل کند.

فریدریش هوند در سال 1927 تونل زنی کوانتومی را در ابتدا در زمینه سطوح انرژی الکترون کشف کرد. متعاقباً، در سال 1928، جورج گامو در به کارگیری اصول تونل زنی در هسته اتم پیشگام شد، در ابتدا واپاشی آلفا را توضیح داد و سپس آن را به همجوشی به عنوان مکانیزم معکوس گسترش داد. با تکیه بر این، رابرت اتکینسون و فریتز هوترمنس تخمین های اولیه را برای نرخ همجوشی ستارگان در سال 1929 ارائه کردند.

هانس بث در سال 1938 با چارلز کریچفیلد برای ترسیم زنجیره پروتون-پروتون، یک توالی واکنشی که مشابه خورشید در ستارگان غالب است، همکاری کرد. سال بعد، در سال 1939، بته یافته‌های خود را در مورد چرخه CNO، یک فرآیند همجوشی متمایز مشخصه ستارگان پرجرم‌تر، منتشر کرد.

آزمایشات اولیه

در دهه 1920، پاتریک بلکت آزمایش‌های قطعی اولیه را در مورد تغییر شکل مصنوعی هسته‌ای در آزمایشگاه کاوندیش انجام داد. جان کاکرافت و ارنست والتون با الهام از مقاله اصلی گامو، شتاب دهنده ذرات خود را در همان موسسه ساختند. در آوریل 1932، آنها نتایج تجربی خود را در مورد واکنش زیر منتشر کردند:

⁷
§6X → 2 §2526§
§2829§او

نوکلید میانی در این واکنش متعاقباً به‌عنوان بریلیم-8، یک ایزوتوپ استثنایی کوتاه‌مدت شناسایی شد. برخی این واکنش خاص را نمونه اولیه همجوشی هسته ای مصنوعی می دانند.

در طول ژوئیه و نوامبر سال 1933، ارنست لارنس و همکارانش در آزمایشگاه تابش دانشگاه کالیفرنیا به طور ناخواسته به اولین واکنش های همجوشی دوتریوم-دوتریوم به عنوان بخشی از آزمایش های پیشگام سیکلوترون دست یافتند، همانطور که در انتشارات خود مستند شده است:

§34§
§67§D + §1415§
§1718§<5>D<5>DD style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">26§
§2829§T + p

§34§
§67§D + §1415§
§1718§§DD style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">26§
§2829§او + §3637§
§3940§ن

آزمایشگاه تشعشع که فقط پروتون‌ها و نوترون‌های پرانرژی تولید شده را شناسایی کرده بود، به اشتباه منشأ آنها را به تجزیه گرمازا دوترون‌ها نسبت داد، فرآیندی که اکنون از نظر فیزیکی غیرممکن است. متعاقباً، در می 1934، مارک اولیفانت، پل هارتک و ارنست رادرفورد در آزمایشگاه کاوندیش یافته‌هایی را از یک آزمایش همجوشی عمدی دوتریوم منتشر کردند که منجر به کشف تریتیوم و هلیوم-3 شد. این رویداد به طور گسترده به عنوان اعتبار آزمایشی اولیه گداخت هسته ای شناخته می شود.

آرتور رولیگ، که در سال 1938 در دانشگاه میشیگان کار می کرد، برای اولین بار همجوشی دوتریوم-تریتیوم (DT) و انتشار متمایز آن از نوترون های 14 مگا الکترون ولتی را مشاهده کرد، واکنشی که اکنون به عنوان پر انرژی ترین واکنش شناخته می شود.

§34§
§67§D + §14^{15§
§1718§}T ← §2526§§
><28§§
§28 §28 §28 §3637§
§3940§ن

اسلحه سازی

تحقیقات همجوشی نظامی محور در اوایل دهه 1940 آغاز شد و در پروژه منهتن ادغام شد. در سال 1941، انریکو فرمی و ادوارد تلر در مورد پتانسیل یک بمب شکافت برای ایجاد شرایط مناسب برای همجوشی گرما هسته ای بحث کردند. تا سال 1942، Emil Konopinski تحقیقات Ruhlig در مورد واکنش دوتریوم-تریتیوم به تیم پروژه را برجسته کرد. رابرت اوپنهایمر در ابتدا فیزیکدانان شیکاگو و کرنل را مأمور کرد که به طور مخفیانه از سیکلوترون دانشگاه هاروارد برای بررسی مقطع این واکنش و همچنین واکنش لیتیوم استفاده کنند. جمع‌آوری داده‌ها در پوردو، شیکاگو، و لوس آلاموس بین سال‌های 1942 و 1946 انجام شد. مدل‌های نظری اولیه، مقطعی قابل مقایسه برای همجوشی دوتریوم-تریتیوم (DT) نسبت به همجوشی دوتریوم-دوتریوم (DD) ارائه کردند. با این وجود، در سال 1946، اگون برتشر یک افزایش تشدید را شناسایی کرد که سطح مقطع واکنش DT را تقریباً 100 برابر افزایش داد.

در آغاز سال 1945، جان فون نویمان، تلر و سایر محققان در لوس آلاموس از ENIAC، یک رایانه اولیه ما الکترونیکی

به کار گرفتند. اولین واکنش همجوشی حرارتی هسته‌ای مصنوعی در طول آزمایش هسته‌ای جورج گلخانه ایالات متحده در سال 1951 با استفاده از مقدار محدودی گاز دوتریوم-تریتیوم به دست آمد. این رویداد بالاترین بازده ثبت شده در آن زمان را ایجاد کرد که به 225 کیلو تن (kt) رسید که 15 برابر بازده بمب پسر کوچک بود. اولین انفجار واقعی سلاح گرما هسته ای که به عنوان یک وسیله دو مرحله ای شناخته می شود، آزمایش آیوی مایک در سال 1952 بود که شامل یک دستگاه ذوب دوتریوم مایع بود و بازدهی بیش از 10 مگاتن (Mt) تولید کرد. این افزایش قابل توجه در بازده ناشی از بهره برداری همه جانبه طرح Teller-Ulam از انفجار شکافت است.

اتحاد جماهیر شوروی برنامه بمب هیدروژنی خود را زودتر آغاز کرده بود و آزمایش RDS-6s را در سال 1953 انجام داد. با این حال، عملکرد آن 400 کیلوتن بود، که توسط پیکربندی تک مرحله ای آن محدود شده بود. اولین آزمایش دو مرحله‌ای شوروی، RDS-37 در سال 1955، بازدهی 1.5 میلیون تن را تولید کرد، با استفاده از گونه‌ای از طراحی Teller-Ulam که به طور مستقل توسعه یافته بود.

دستگاه‌های معاصر از کاربرد لیتیوم دوترید جامد، به‌ویژه غنی‌شده با لیتیوم-6 استفاده می‌کنند. این مزیت از چرخه جتر ناشی می شود که واکنش گرمازا زیر را در بر می گیرد:

⁶
§6^{37§
§3940§}T

در زمینه انفجارهای حرارتی، این فرآیند تریتیوم را برای واکنش دوتریوم-تریتیوم (DT) بسیار پرانرژی تامین می‌کند و از تولید نوترون آن استفاده می‌کند و در نتیجه یک چرخه نوترون بسته ایجاد می‌کند.

انرژی فیوژن

اگرچه انفجار بمب های همجوشی به طور خلاصه برای تولید انرژی در نظر گرفته شد، اما هدف علمی اولیه برای انرژی همجوشی صلح آمیز بر روی دستیابی به واکنش های کنترل شده و پایدار متمرکز بود. تحقیقات در مورد توسعه همجوشی کنترل شده در راکتورهای همجوشی از دهه 1930 پیوسته بوده است. دستگاه Scylla I در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس اولین همجوشی حرارتی هسته ای آزمایشگاهی را در سال 1958 به دست آورد. با این حال، فناوری زیربنایی در مراحل توسعه خود باقی می‌ماند.

آزمایش‌های اولیه که مقادیر قابل‌توجهی از قدرت همجوشی کنترل‌شده را تولید کردند، شامل مخلوط‌های دوتریوم و تریتیوم در دستگاه‌های توکامک بودند. بین سال‌های 1993 و 1996، آزمایش‌هایی که در راکتور تست همجوشی Tokamak (TFTR) در آزمایشگاه فیزیک پلاسمای پرینستون (PPPL) در دانشگاه پرینستون، پرینستون، نیوجرسی، ایالات متحده انجام شد، 1.6 گیگاژول (GJ) انرژی همجوشی به دست آورد. حداکثر توان همجوشی 10.3 مگاوات (MW) حاصل شد که حاصل از 3.7×10¹⁸ واکنش در ثانیه، با حداکثر انرژی همجوشی تولید شده در یک تخلیه به 7.6 مگاژول (MJ) است. متعاقبا، آزمایش‌ها در Joint European Torus (JET) در سال 1997 به حداکثر توان همجوشی 16 مگاوات (5.8×§1213§18/s) دست یافت. مقدار مرکزی Q، نشان دهنده نسبت توان همجوشی محلی تولید شده به توان گرمایشی کاربردی محلی، 1.3 محاسبه شد. آزمایش JET انجام شده در سال 2024 با استفاده از 0.2 میلی گرم دوتریوم (D) و تریتیوم (T) 69 مگا ژول توان همجوشی تولید کرد.

تاسیسات احتراق ملی ایالات متحده (NIF)، که از لیزر محرکه لیزری استفاده می کند که عامل محصور کننده اینرسی را با یک همجوشی محصور کننده کیو به کار می گیرد. بیش از حد وحدت آزمایش‌های لیزری در مقیاس بزرگ اولیه در ژوئن 2009 آغاز شد و به دنبال آن آزمایش‌های اشتعال در اوایل سال 2011 آغاز شد. در 13 دسامبر 2022، وزارت انرژی ایالات متحده گزارش داد که در 5 دسامبر 2022، همجوشی نقطه سر به سر با موفقیت به دست آمده است، که مشخصه آن "ارائه هدف در 5MGJoul0) انرژی به 0،000000000000000000000000000000 mg. 3.15 مگا ژول خروجی انرژی همجوشی». نرخ توان ورودی به سلول آزمایشی آزمایشی به میزان قابل توجهی از توان تحویلی به هدف، با ضریب چند صد، بیشتر است.

پیش از این، واکنش‌های همجوشی کنترل‌شده به نقطه سربه‌سر نمی‌رسیدند، به این معنی که آنها خودپایدار نبودند. دو روش پیشرفته اولیه برای دستیابی به این هدف، محصور کردن مغناطیسی، استفاده از طرح‌های حلقوی، و محصورسازی اینرسی است که از طرح‌های لیزری استفاده می‌کند. در حال حاضر، طرح‌های قابل اجرا برای یک راکتور حلقوی در دست توسعه است، با پیش‌بینی‌های نظری که نشان می‌دهد می‌توانند ده برابر بیشتر از مقدار مورد نیاز برای گرم کردن پلاسما تا دمای لازم انرژی همجوشی تولید کنند. پیش‌بینی می‌شود که تأسیسات ITER آزمایش‌های پلاسما را در سال 2034 آغاز کند و عملیات همجوشی کامل دوتریوم-تریتیوم در سال 2039 آغاز شود.

تنها در سال 2021، شرکت‌های خصوصی متمرکز بر تجاری‌سازی گداخت هسته‌ای، 2.6 میلیارد دلار سرمایه‌گذاری خصوصی جذب کردند. این بودجه بین بسیاری از استارت‌آپ‌های برجسته، مانند Commonwealth Fusion Systems، Helion Energy Inc.، General Fusion، TAE Technologies Inc.، و Zap Energy Inc توزیع شد.

یک پیشرفت قابل توجه اخیر در حفظ واکنش همجوشی در راکتور همجوشی WEST فرانسه به دست آمد که با موفقیت یک رکورد 90 دقیقه‌ای را حفظ کرد. این راکتور از طراحی توکامک استفاده می‌کند، که شبیه به راکتور آینده ITER است.

فرایند

انرژی آزاد شده در طی همجوشی عناصر سبک از برهمکنش دو نیروی متضاد حاصل می‌شود: نیروی هسته‌ای، تجلی برهمکنش قوی که پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته اتم متصل می‌کند، و نیروی کولن که باعث می‌شود پروتون‌های دارای بار مثبت در هسته یکدیگر را دفع کنند. هسته‌های سبک‌تر، به‌ویژه آن‌هایی که کوچک‌تر از آهن و نیکل هستند، دارای اندازه کافی کوچک و تعداد پروتون کم هستند که نیروی هسته‌ای را قادر می‌سازد بر نیروی کولن غلبه کند. این امر به این دلیل اتفاق می‌افتد که هسته به اندازه کافی فشرده است تا همه نوکلئون‌ها نیروی جاذبه کوتاه برد را حداقل با همان شدت دافعه کولن با برد بی‌نهایت تجربه کنند. فرآیند تشکیل هسته‌های سنگین‌تر از هسته‌های سبک‌تر از طریق همجوشی، انرژی اضافی حاصل از جذب خالص بین ذرات را آزاد می‌کند. برعکس، برای هسته‌های بزرگ‌تر، هیچ انرژی آزاد نمی‌شود، زیرا نیروی هسته‌ای کوتاه‌برد است و نمی‌تواند تأثیر خود را در ابعاد بزرگ‌تر این هسته‌ها اعمال کند.

همجوشی منبع انرژی برای ستارگان است و مسئول ایجاد اکثر عناصر سبک‌تر از کبالت از طریق فرآیندی به نام نوکلئوسنتز است. خورشید به عنوان یک ستاره دنباله اصلی، انرژی خود را از همجوشی هسته‌ای هسته‌های هیدروژن به هلیوم تولید می‌کند. خورشید در هسته خود 620 میلیون متریک تن هیدروژن را ذوب می کند و در هر ثانیه 616 میلیون متریک تن هلیوم تولید می کند. ادغام عناصر سبکتر در ستارگان انرژی را همراه با کاهش جرم آزاد می کند. به عنوان مثال، در طول همجوشی دو هسته هیدروژن برای تشکیل هلیوم، 0.645٪ از جرم اولیه به انرژی جنبشی یک ذره آلفا یا سایر اشکال انرژی مانند تابش الکترومغناطیسی تبدیل می‌شود.

برای وادار کردن هسته‌ها به همجوشی، حتی برای سبک‌ترین عنصر، یعنی هیدروژن، به انرژی ورودی قابل توجهی نیاز است. هنگامی که هسته ها به سرعت های به اندازه کافی بالا شتاب می گیرند، می توانند بر دافعه الکترواستاتیکی غلبه کنند و به آنها اجازه می دهد به اندازه کافی نزدیک شوند تا نیروی جذاب هسته ای از نیروی دافعه کولن بیشتر شود. هنگامی که هسته‌ها در مجاورت یکدیگر قرار می‌گیرند، نیروی قوی به سرعت تشدید می‌شود و نوکلئون‌های همجوشی را قادر می‌سازد تا با هم ترکیب شوند و در نتیجه همجوشی ایجاد شود. این یک فرآیند گرمازا است.

انرژی آزاد شده در اکثر واکنش های هسته ای به طور قابل توجهی از واکنش های شیمیایی فراتر می رود، در درجه اول به این دلیل که انرژی اتصال که یکپارچگی هسته را حفظ می کند به طور قابل توجهی بیشتر از انرژی اتصال الکترون به هسته است. به عنوان مثال، انرژی یونیزاسیون به دست آمده از اتصال یک الکترون به هسته هیدروژن 13.6 eV است که کمتر از یک میلیونم 17.6 MeV آزاد شده در طی واکنش دوتریوم-تریتیوم (D-T) است. واکنش های همجوشی چگالی انرژی چندین برابر بیشتر از شکافت هسته ای نشان می دهند. این واکنش‌ها انرژی بسیار بیشتری در واحد جرم تولید می‌کنند، حتی اگر واکنش‌های شکافت انفرادی عموماً پرانرژی‌تر از واکنش‌های همجوشی انفرادی هستند، که خود میلیون‌ها بار پرانرژی‌تر از واکنش‌های شیمیایی هستند. از طریق اصل هم ارزی جرم-انرژی، همجوشی به بازده 0.7 درصد در تبدیل جرم واکنش دهنده به انرژی دست می یابد. این کارآیی تنها با پدیده‌های شدیدی مانند فرآیند برافزایش شامل ستاره‌های نوترونی یا سیاه‌چاله‌ها که می‌تواند به بازدهی 40 درصد نزدیک شود و نابودی پادماده که به بازدهی 100 درصد می‌رسد، پیشی می‌گیرد. (تبدیل کامل یک گرم ماده باعث آزاد شدن §1415§×§1617در اخترفیزیک

فرایندهای همجوشی اساساً مسئول سنتز اخترفیزیکی بیشتر عناصر سبک‌تر از آهن هستند که هم سنتز هسته‌ای بیگ بنگ و هم سنتز هسته‌های ستاره‌ای را در بر می‌گیرند. برعکس، مکانیسم‌های غیر همجوشی، مانند فرآیند s و فرآیند r که در ادغام ستاره‌های نوترونی و سنتز هسته‌های ابرنواختری رخ می‌دهند، تشکیل عناصر سنگین‌تر از آهن را به‌وجود می‌آورند.

ستاره ها

هسته‌سازی ستاره‌ای نشان‌دهنده یک فرآیند همجوشی مهم است که به ستاره‌ها، از جمله خورشید ما، انرژی می‌دهد. در طول قرن بیستم، آشکار شد که گرمای پایدار و درخشندگی ستارگان به انرژی آزاد شده از واکنش های همجوشی هسته ای نسبت داده می شود. در درون یک ستاره، همجوشی هسته‌ها با ترکیب هیدروژن و هلیوم اولیه آن آغاز می‌شود، این انرژی را تولید می‌کند و همزمان هسته‌های اتمی جدیدی تولید می‌کند. زنجیره‌های واکنش خاص درگیر با توجه به جرم ستاره، که شرایط فشار و دمای درون هسته آن را دیکته می‌کند، متفاوت است.
تقریباً در سال 1920، آرتور ادینگتون کشف و اصول عملیاتی فرآیندهای همجوشی هسته‌ای در ستارگان را پیش‌بینی کرد که در مقاله اصلی خود قانون اساسی ستارگان شرح داده شده است. در آن مقطع، منشا انرژی ستاره ای ناشناخته باقی ماند. با این حال، ادینگتون دقیقاً این فرضیه را مطرح کرد که این انرژی از همجوشی هیدروژن به هلیوم سرچشمه می‌گیرد و انرژی بسیار زیادی مطابق با معادله انیشتین آزاد می‌کند E = mc§78§. با توجه به اینکه همجوشی و انرژی گرما هسته‌ای هنوز کشف نشده بود، و همچنین به طور گسترده شناخته نشده بود که ستاره‌ها عمدتاً از هیدروژن تشکیل شده‌اند، این یک پیشرفت قابل‌توجه بود. مقاله ادینگتون استدلال های زیر را ارائه کرد:

تئوری غالب برای انرژی ستاره‌ای، فرضیه انقباض، فرض می‌کند که چرخش یک ستاره باید به‌دلیل پایستگی تکانه زاویه‌ای شتاب بیشتری پیدا کند. با این حال، مشاهدات ستارگان متغیر قیفاووسی با این پیش‌بینی تناقض داشت.

تنها منبع قابل قبول انرژی جایگزین شناسایی شده تبدیل ماده به انرژی بود، اصلی که انیشتین سالها قبل نشان داده بود و نشان می دهد که یک مقدار کوچک ماده با مقدار قابل توجهی انرژی مطابقت دارد.

فرانسیس استون همچنین نشان داد که جرم یک اتم هلیوم تقریباً 0.8٪ کمتر از جرم ترکیبی چهار اتم هیدروژن است که به طور فرضی، اتم هلیوم را تشکیل می دهد. (این مشاهدات تحت تئوری ساختار اتمی غالب در آن زمان انجام شد، که وزن اتمی را مشخصه متمایز اولیه بین عناصر در نظر گرفت؛ تحقیقات بعدی توسط هنری موزلی و آنتونیوس ون دن بروک بعداً بار هسته ای را به عنوان خاصیت قطعی تعیین کرد، که نشان می دهد هسته هلیوم شامل دو هسته هیدروژن به اضافه جرم اضافی است. انرژی.

ادینگتون پیشنهاد کرد که اگر یک ستاره فقط حاوی 5% هیدروژن گداز پذیر باشد، این برای تولید انرژی ستاره ای کافی است. (درک کنونی نشان می‌دهد که بیشتر ستارگان «معمولی» معمولاً از 70 تا 75 درصد هیدروژن تشکیل شده‌اند.)

همچنین در نظر گرفته شد که عناصر اضافی ممکن است تحت همجوشی قرار گیرند، و دانشمندان دیگر این نظریه را مطرح کرده بودند که ستارگان به عنوان "بوته" عمل می کنند که در آن عناصر سبک تر به هم می پیوندند و عناصر سنگین تر را تشکیل می دهند. با این حال، در غیاب اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر جرم اتمی، نتیجه‌گیری‌های بیشتر در آن دوره غیرممکن بود.

همه این فرضیه‌ها متعاقباً در دهه‌های بعدی تأیید شدند.
منبع اصلی انرژی برای خورشید و ستارگان با اندازه‌های مشابه، همجوشی هیدروژن به هلیوم است، به‌ویژه از طریق واکنش زنجیره‌ای پروتون-پروتون، که در دمای هسته خورشیدی ۱۴ میلیون کلوین اتفاق می‌افتد. این فرآیند در نهایت شامل ادغام چهار پروتون به یک ذره آلفا است که با انتشار دو پوزیترون، دو نوترینو (که دو پروتون را به نوترون تبدیل می‌کنند) و آزاد شدن انرژی همراه است. برای ستارگان پرجرم تر، چرخه CNO و مکانیسم های دیگر نقش مهم تری دارند. همانطور که یک ستاره بخش قابل توجهی از سوخت هیدروژن خود را تخلیه می کند، شروع به همجوشی عناصر سنگین تر می کند. در هسته ستارگان پرجرم، سوزاندن سیلیکون چرخه همجوشی نهایی را تشکیل می دهد که با تجمع هسته های آهن و نیکل به اوج خود می رسد.
انرژی اتصال هسته ای سنتز عناصر سنگین تر از نیکل را از طریق همجوشی از نظر انرژی نامطلوب می کند. در نتیجه، این عناصر سنگین‌تر از طریق فرآیندهای غیر همجوشی، از جمله فرآیند s، فرآیند r و مکانیسم‌های مختلفی که قادر به تولید هسته‌های p هستند، تولید می‌شوند. این فرآیندها معمولاً در پوسته ستارگان غول پیکر، در طول رویدادهای ابرنواختر، یا پس از ادغام ستاره های نوترونی ظاهر می شوند.

کوتوله های قهوه ای

کوتوله‌های قهوه‌ای قادر به همجوشی دوتریوم هستند و در مواردی که جرم بسیار بالایی دارند، همجوشی لیتیوم نیز انجام می‌شود.

کوتوله های سفید

کوتوله‌های سفید کربن-اکسیژن، که ماده را از یک همراه ستاره‌ای فعال یا از طریق ادغام کوتوله‌های سفید جمع می‌کنند، می‌توانند به حد 1.44 جرم خورشیدی چاندراسخار نزدیک شوند. درست قبل از رسیدن به این آستانه، همجوشی کربن سوز آغاز می شود که منجر به نابودی کوتوله ای به اندازه زمین در یک ابرنواختر نوع Ia در عرض تقریباً یک ثانیه می شود.
در موارد بسیار نادرتر، کوتوله های سفید هلیوم ممکن است ادغام شوند. این رویداد باعث انفجار نمی شود، بلکه در عوض شروع به سوزاندن هلیوم می کند که منجر به شکل شدیدی از ستاره هلیوم می شود.

ستارگان نوترونی

بعضی از ستارگان نوترونی هیدروژن و هلیوم را از یک همدم ستاره ای فعال جمع می کنند. به طور دوره‌ای، هلیوم تجمعی به جرم بحرانی می‌رسد و یک موج سوختگی گرما هسته‌ای ایجاد می‌کند که در عرض تقریباً یک ثانیه در سطح ستاره منتشر می‌شود.

دیسک‌های برافزایش سیاه‌چاله

مثل همجوشی ستاره‌ای، شرایط شدید حاکم در دیسک‌های برافزایش سیاه‌چاله می‌تواند واکنش‌های همجوشی را تسهیل کند. محاسبات نشان می‌دهد که پرانرژی‌ترین واکنش‌ها در اطراف سیاه‌چاله‌های با جرم کمتر ستاره‌ای، به‌ویژه سیاه‌چاله‌هایی با جرم کمتر از 10 خورشیدی، برخلاف سیاه‌چاله‌هایی که بیش از 100 جرم خورشیدی دارند، ظاهر می‌شوند. فراتر از پنج شعاع شوارتزشیلد، سوختن کربن و همجوشی هلیوم-3 واکنش های غالب را تشکیل می دهند. در این فاصله خاص، به ویژه در اطراف سیاهچاله های با جرم پایین تر، همجوشی نیتروژن، اکسیژن، نئون و منیزیم امکان پذیر است. در شدیدترین شرایط، فرآیند سوزاندن سیلیکون ممکن است با همجوشی هسته‌های سیلیکون و سلنیوم آغاز شود.

بیگ بنگ

در طول بازه زمانی بین 10 ثانیه تا 20 دقیقه پس از انفجار بزرگ، جهان از بیش از 100 کیلو ولت به 1 کیلو ولت سرد شد. این کاهش دما ترکیب پروتون‌ها و نوترون‌ها را در هسته‌های دوتریوم امکان‌پذیر کرد و یک زنجیره همجوشی سریع را آغاز کرد که از طریق تریتیوم و هلیوم-3 پیش رفت و عمدتاً در هلیوم-4 به اوج خود رسید و تنها بخش کوچکی از لیتیوم، بریلیم و بور در هسته‌های لیتیوم، بریلیم و بور وجود داشت. چگالی کافی برای فروپاشی گرانشی به دست آورد. این فرآیند متعاقباً همجوشی هسته‌ای را فعال کرد و منجر به تشکیل اولین ستاره‌ها در حدود 13.6 میلیارد سال پیش شد.

نیازمندی ها

برای اینکه همجوشی اتفاق بیفتد، ابتدا باید یک مانع انرژی قابل توجهی که توسط نیروهای الکترواستاتیک تحمیل شده است برطرف شود. در فواصل قابل توجه، دو هسته برهنه به دلیل نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون‌های دارای بار مثبت، متقابلاً دفع می‌شوند. با این وجود، اگر دو هسته به اندازه کافی نزدیک باشند، می توان بر این دافعه الکترواستاتیکی توسط یک اثر مکانیکی کوانتومی، به ویژه تونل زنی کوانتومی، که به هسته ها اجازه می دهد تا به موانع کولن نفوذ کنند، غلبه کرد.
با افزودن یک نوکلئون، مانند پروتون یا نوترون، به یک هسته، نیروی هسته‌ای تأثیر جذابی از سایر نوکلئون‌های درون هسته روی آن اعمال می‌کند (به شرطی که اتم به اندازه کافی کوچک باشد)، البته عمدتاً از همسایگان آن به دلیل برد کوتاه نیرو. نوکلئون های واقع در داخل هسته دارای تعداد بیشتری از نوکلئون های مجاور در مقایسه با نوکلئون های روی سطح هستند. با توجه به اینکه هسته های کوچکتر نسبت سطح به حجم بالاتری از خود نشان می دهند، انرژی اتصال در هر نوکلئون قابل انتساب به نیروی هسته ای عموماً با اندازه هسته افزایش می یابد و در نهایت به یک مقدار محدود کننده مشخصه هسته با قطر تقریباً چهار نوکلئون نزدیک می شود. بسیار مهم است که بدانیم نوکلئون ها اجسام کوانتومی هستند. در نتیجه، به عنوان مثال، از آنجایی که دو نوترون در یک هسته غیرقابل تشخیص هستند، هرگونه تلاش برای تمایز بین آنها، مانند تشخیص داخلی یا سطحی بودن، ذاتاً بی معنی است. بنابراین، ادغام مکانیک کوانتومی برای محاسبات دقیق ضروری است.
برعکس، نیروی الکترواستاتیک به عنوان نیروی مربع معکوس عمل می کند. بنابراین، پروتون وارد شده به یک هسته، دافعه الکترواستاتیکی را از همه پروتون های دیگر موجود در آن هسته تجربه می کند. در نتیجه، انرژی الکترواستاتیک در هر نوکلئون، ناشی از نیروی الکترواستاتیک، با افزایش تعداد اتمی هسته‌ها، بدون محدودیت افزایش می‌یابد.

تقابل بین نیروهای الکترواستاتیکی و هسته‌ای قوی متضاد نشان می‌دهد که انرژی اتصال در هر نوکلئون معمولاً با اندازه هسته افزایش می‌یابد و در اطراف آهن و نیکل به اوج می‌رسد، قبل از اینکه متعاقباً برای هسته‌های سنگین‌تر کاهش یابد. در نهایت، انرژی اتصال منفی می‌شود و هسته‌های بسیار سنگین - به‌ویژه آنهایی که بیش از ۲۰۸ نوکلئون هستند، که با قطر تقریباً ۶ نوکلئون مطابقت دارد- ذاتاً ناپایدار می‌شوند. چهار هسته محکم‌تر که با کاهش انرژی اتصال در هر نوکلئون مرتب شده‌اند، ⁶²
نی، ^{> style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">}به، ^{style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">}Fe، و ^{style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">}نی. علیرغم پایداری بیشتر ایزوتوپ نیکل، ⁶²
نی، ایزوتوپ آهن §5859§
Fe به میزان قابل توجهی فراوان تر است. این نابرابری به این دلیل به وجود می‌آید که ستارگان فاقد یک مسیر فرآیند آلفای کارآمد برای سنتز §6970§
Ni هستند.
هسته هلیوم-4 یک استثنای قابل توجه برای این روند کلی ارائه می‌کند، که انرژی اتصالی برتر از لیتیوم، همتای سنگین‌تر آن را نشان می‌دهد. این پدیده به فرمیون بودن پروتون‌ها و نوترون‌ها نسبت داده می‌شود که، مطابق با اصل طرد پائولی، نمی‌توانند حالت‌های کوانتومی یکسانی را در همان هسته اشغال کنند. هر حالت انرژی برای یک پروتون یا نوترون در یک هسته می تواند هم یک ذره اسپین به بالا و هم یک ذره اسپین پایین را در خود جای دهد. هلیوم-4 دارای انرژی اتصال فوق العاده بالایی است زیرا هسته آن از دو پروتون و دو نوترون تشکیل شده است و آن را به عنوان یک هسته "دوجادویی" طبقه بندی می کند و در نتیجه به هر چهار نوکلئون اجازه می دهد در حالت پایه قرار گیرند. هر نوکلئون بعدی لزوماً حالت های انرژی بالاتری را اشغال می کند. در نتیجه، هسته هلیوم-4 آنقدر عمیق است که به طور معمول به عنوان یک موجود مکانیکی کوانتومی منفرد، شناخته شده به عنوان ذره آلفا، در فیزیک هسته ای تصور می شود.
وقتی دو هسته به هم نزدیک می شوند، یک سناریوی قابل مقایسه آشکار می شود. پس از نزدیک شدن، پروتون های درون یک هسته، نیروی دافعه ای بر پروتون های هسته دیگر وارد می کنند. نیروی جاذبه قوی هسته ای تنها زمانی می تواند بر این نیروی دافعه الکترواستاتیکی غلبه کند که دو هسته به مجاورت و مدت زمان کافی برهمکنش دست یابند. این فرآیند همچنین به عنوان هسته هایی که بر سد کولن غلبه می کنند مشخص می شود. قابل‌توجه، انرژی جنبشی لازم برای این برهم‌کنش می‌تواند به دلیل پدیده تونل‌زنی کوانتومی کمتر از بزرگی سد باشد.
با توجه به اینکه هسته‌های آن‌ها فقط یک بار مثبت دارند، سد کولن برای ایزوتوپ‌های هیدروژن حداقل است. با این حال، یک دی پروتون ذاتاً ناپایدار است و نیاز به دخالت نوترون‌ها دارد. در حالت ایده‌آل، این دخالت باید تشکیل یک هسته هلیوم را که به دلیل اتصال فوق‌العاده قوی‌اش معروف است، به عنوان یکی از محصولات واکنش تسهیل کند.
وقتی سوخت دوتریوم-تریتیوم استفاده می‌شود، سد انرژی حاصل تقریباً 0.1 مگا ولت است. برای زمینه، انرژی مورد نیاز برای یونیزه کردن اتم هیدروژن با حذف یک الکترون 13.6 eV است. محصول میانی این واکنش همجوشی یک هسته ناپایدار ⁵He است که به سرعت یک نوترون دارای 14.1 مگا الکترون ولت انرژی جنبشی را دفع می کند. هسته باقیمانده ⁴He انرژی پس زدگی 3.5 مگا ولت را تجربه می کند که در مجموع انرژی آزاد شده 17.6 مگا ولت به اوج می رسد. این بازده انرژی به طور قابل توجهی از انرژی اولیه لازم برای غلبه بر سد واکنش فراتر می رود.

مقطع واکنش (σ) احتمال وقوع یک واکنش همجوشی را کمی نشان می‌دهد که به عنوان تابعی از سرعت نسبی بین دو هسته واکنش‌دهنده بیان می‌شود. در سناریوهایی که واکنش‌دهنده‌ها توزیع سرعت را نشان می‌دهند، مانند توزیع حرارتی، میانگین حاصلضرب سطح مقطع و سرعت نسبت به این توزیع‌ها سودمند است. این کمیت متوسط "واکنش پذیری" نامیده می شود که نماد آن ⟨σv⟩ است. سرعت واکنش، که نشان دهنده همجوشی در واحد حجم در واحد زمان است، به صورت ⟨σv⟩ در حاصل ضرب چگالی تعداد واکنش دهنده محاسبه می شود:
$f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle .$ 15§ n §22 $f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle .$ ⟨ σ v ⟩ . {\displaystyle f=n_{1}n_{2}\langle \sigma v\rangle .}

هنگامی که گونه‌ای از هسته‌ها با خود واکنش نشان می‌دهند، همانطور که در واکنش DD مشاهده شد، عبارت محصول $n_{1}n_{2}$ 11§ n alt §tt="18"> n_{1}n_{2}}" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML">19§ {\displaystyle n_{1}nnot{2>} باید با $n^{2}/2$ .
پارامتر سرعت واکنش، که به صورت $\langle \sigma v\rangle$ $\langle \sigma v\rangle$
همجوشی مصنوعی

همجوشی گرما هسته ای
همجوشی حرارتی به عنوان فرآیندی تعریف می‌شود که طی آن هسته‌های اتمی تحت شرایط دمای بالا ترکیب یا "جوش می‌خورند" که انرژی جنبشی لازم را برای غلبه بر دافعه الکترواستاتیکی فراهم می‌کند. این دماهای بالا ماده را به حالت پلاسما تبدیل می‌کند و اگر به اندازه کافی محدود شود، واکنش‌های همجوشی می‌توانند از طریق برخوردهایی که توسط انرژی‌های جنبشی حرارتی شدید ذرات تشکیل‌دهنده ایجاد می‌شوند، ادامه یابد. همجوشی گرما هسته‌ای به دو شکل اصلی ظاهر می‌شود: همجوشی کنترل نشده که با آزاد شدن بی‌بند و بار انرژی مشخص می‌شود، که نمونه آن سلاح‌های هسته‌ای (که معمولاً به عنوان "بمب‌های هیدروژنی" شناخته می‌شوند) و فرآیندهای درون اکثر ستاره‌ها. و همجوشی کنترل شده، که در آن واکنش‌ها در محیطی رخ می‌دهند که برای مهار بخشی یا کل انرژی آزاد شده طراحی شده است.
دما به عنوان شاخص میانگین انرژی جنبشی ذرات عمل می‌کند. در نتیجه حرارت دادن یک ماده باعث افزایش انرژی درونی آن می شود. با رسیدن به دمای کافی، همانطور که توسط معیار لاوسون مشخص شده است، انرژی جنبشی برخوردهای تصادفی در پلاسما برای غلبه بر سد کولن کافی می شود و در نتیجه همجوشی ذرات را ممکن می کند.
به عنوان مثال، در یک واکنش همجوشی دوتریوم-تریتیوم، انرژی مورد نیاز برای غلبه بر سد کولومب برابر است. تبدیل بین واحدهای انرژی و دما نشان می دهد که این مانع 0.1 MeV در دمای بیش از 1.2 میلیارد کلوین برطرف می شود.
دو اثر اصلی به کاهش دمای عملیاتی مورد نیاز برای همجوشی کمک می کند. اولاً، دما نشان دهنده متوسط انرژی جنبشی است، به این معنی که در یک پلاسمای معین، برخی از هسته ها دارای انرژی جنبشی به طور قابل توجهی بیش از 0.1 مگا الکترون ولت هستند، در حالی که برخی دیگر انرژی های بسیار کمتری خواهند داشت. اکثر واکنش های همجوشی در درجه اول به هسته هایی نسبت داده می شود که در دم پر انرژی توزیع سرعت قرار دارند. ثانیاً، تونل زنی کوانتومی نقش مهمی ایفا می کند. برای غلبه بر سد کولن، هسته ها به شدت نیازی به داشتن انرژی کافی ندارند. اگر انرژی آنها به اندازه کافی به ارتفاع سد نزدیک باشد، می توانند به صورت مکانیکی کوانتومی از طریق پتانسیل باقیمانده تونل بزنند. در نتیجه، این عوامل باعث می‌شوند تا رویدادهای همجوشی در سوخت در دماهای پایین‌تر اتفاق بیفتد، البته با نرخ واکنش کاهش‌یافته.
همجوشی حرارتی یک روش کلیدی است که در حال حاضر برای تولید توان همجوشی تحت بررسی است. اگر همجوشی حرارتی یک منبع انرژی بادوام و سودمند باشد، پذیرش گسترده آن به طور قابل ملاحظه ای ردپای کربن جهانی را کاهش می دهد.

Beam–Beam یا Beam–Target Fusion

همجوشی یون نور مبتنی بر شتاب‌دهنده، تکنیکی است که از شتاب‌دهنده‌های ذرات برای انتقال انرژی جنبشی کافی به ذرات، و در نتیجه ایجاد واکنش‌های همجوشی یون نور استفاده می‌کند.

شتاب یون نور نسبتاً ساده است و می توان به طور موثر به آن دست یافت و فقط به یک لوله خلاء، دو الکترود و یک ترانسفورماتور ولتاژ بالا نیاز دارد. واکنش های همجوشی را می توان با اختلاف پتانسیل بین الکترودی به اندازه 10 کیلو ولت مشاهده کرد. چنین سیستم‌هایی را می‌توان به گونه‌ای پیکربندی کرد که یون‌ها را به یک هدف ثابت و تزریق شده با سوخت، فرآیندی که همجوشی پرتو-هدف نامیده می‌شود، یا با هدایت دو جریان متضاد یون‌ها، که به عنوان همجوشی پرتو-پرتو شناخته می‌شوند، پیکربندی شوند. یک چالش اصلی در همجوشی مبتنی بر شتاب‌دهنده، به‌ویژه با اهداف سرد، از این واقعیت ناشی می‌شود که مقاطع عرضی همجوشی به‌طور قابل‌توجهی کوچک‌تر از مقاطع برهمکنش کولن هستند. در نتیجه، بیشتر یون‌ها انرژی خود را از طریق انتشار تشعشعات برمسترالانگ و یونیزاسیون اتم‌های هدف تلف می‌کنند. ژنراتورهای نوترون با لوله مهر و موم شده نمونه های مناسبی از این فناوری هستند. این دستگاه های فشرده به عنوان شتاب دهنده ذرات مینیاتوری، حاوی گاز دوتریوم و تریتیوم عمل می کنند. این تنظیم شتاب یون‌های این هسته‌ها را به سمت اهداف هیدرید، که حاوی دوتریوم و تریتیوم نیز هستند، تسهیل می‌کند و منجر به همجوشی و انتشار یک شار نوترونی می‌شود. سالانه صدها عدد از این ژنراتورهای نوترونی برای صنعت نفت ساخته می‌شوند، جایی که در ابزارهای اندازه‌گیری برای شناسایی و نقشه‌برداری ذخایر نفت استفاده می‌شوند.
در طول زمان، تلاش‌های مختلفی بر چرخش یون‌هایی متمرکز شده است که دچار برخورد نمی‌شوند. یک تلاش قابل توجه از دهه 1970 Migma بود که از یک حلقه ذخیره ذرات متمایز برای محدود کردن یون ها در مدارهای دایره ای و هدایت آنها به منطقه واکنش استفاده کرد. با این حال، تحلیل‌های نظری انجام‌شده در طول ارزیابی‌های بودجه نشان‌دهنده چالش‌های اساسی در مقیاس‌بندی این سیستم برای حاوی سوخت همجوشی کافی برای تولید برق عملی است. در دهه 1990، نورمن روستوکر پیکربندی جدیدی را با استفاده از پیکربندی معکوس میدانی (FRC) برای ذخیره سازی یون معرفی کرد، مفهومی که TAE Technologies از سال 2021 به بررسی آن ادامه می دهد. یک روش مرتبط شامل ادغام دو FRC در حال چرخش در جهت های مخالف توسط Helion Energy است. با توجه به اینکه این استراتژی‌ها شامل انرژی‌های یونی بیش از حد قابل توجهی از سد کولن می‌شوند، آنها اغلب چرخه‌های سوخت جایگزین مانند p-¹¹B را پیشنهاد می‌کنند که عموماً با روش‌های همجوشی مرسوم غیر عملی هستند.

سنتز عنصر

همجوشی هسته‌های هدف فوق‌العاده سنگین با پرتوهای یونی شتاب‌دار، روش‌شناسی اصلی برای سنتز عنصر را تشکیل می‌دهد. طی آزمایش‌های هسته‌ای در اوایل دهه 1930، پرتوهای دوترون کشف عناصر مصنوعی اولیه، از جمله تکنسیوم، نپتونیم، و پلوتونیوم را تسهیل کردند.
${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce$ 40§ §41 ${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}H}->42§ </multiscripts> </mrow> <mo stretchy=$ Np 93 238 + §70 ${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}H}->71§ <msubsup> <mspace width=$ 77§ §8081§ n {\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{238}_{92}U}+{^{2}_{1}H}->}}&{\ce {{^{238}_{93}Np}+2_{0}^{93}Np}+2_{0}
آمیختگی هسته‌های هدف بسیار سنگین با پرتوهای یونی سنگین در کشف عناصر فوق‌سنگین مؤثر بوده است.
${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{208}_{82}Pb}+{^{62}_{28}Ni}->}}&{\ce {{^{269}_{110}Ds}\_{0}Ds}+_{0} xmlns=$ 73§ §7677§ n {\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{208}_{82}Pb}+{^{62}_{28}Ni}->}}&{\ce {{^{269}_{110}Ds}+_{0}^{1}n}}\end{aligned}}}
${\begin{aligned}{\ce {{^{249}_{98}Cf}+{^{48}_{20}Ca}->}}&{\ce {{^{294}_{118}Og}+3_{0}^{1}n}}\end{aligned}}$ 77§ §8081§ n {\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {{^{249}_{98}Cf}+{^{48}_{20}Ca}->}}&{\ce {{^{294}_{118}Og}+3_{0}^{1}n}}\end{aligned}}}

فوژن کاتالیز شده Muon

همجوشی کاتالیز شده با میون نشان دهنده یک فرآیند همجوشی هسته ای است که می تواند در دمای محیط شروع شود. تحقیقات گسترده ای در مورد این پدیده توسط استیون جونز در اوایل دهه 1980 انجام شد. با این حال، دستیابی به انرژی خالص از این واکنش به دلیل چندین عامل چالش برانگیز ثابت شده است: انرژی ورودی قابل توجهی که برای تولید میون لازم است، نیمه عمر مختصر 2.2 میکرو ثانیه میون ها، و احتمال قابل توجه اتصال میون ها به ذرات آلفای تازه تشکیل شده و در نتیجه فرآیند همجوشی کاتالیزوری خاتمه می یابد.

اصول دیگر

روش‌های حبس اضافی نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند.
در همجوشی اولیه ضد ماده، مقادیر بسیار کمی از پادماده برای ایجاد انفجار همجوشی موضعی استفاده می‌شود. تحقیقات در مورد این مفهوم عمدتاً بر کاربرد بالقوه آن در سیستم‌های رانش پالس هسته‌ای و توسعه سلاح‌های همجوشی خالص متمرکز شده است. با این وجود، قابلیت حیات آن به عنوان یک منبع انرژی عملی، در درجه اول به دلیل هزینه های گزاف مربوط به تولید پادماده، بسیار دور باقی می ماند.

همجوشی پیروالکتریک ابتدا در آوریل 2005 توسط یک تیم تحقیقاتی در UCLA گزارش شد. روش تجربی شامل حرارت دادن یک کریستال پیروالکتریک از 34- تا 7 درجه سانتی گراد (29- تا 45 درجه فارنهایت) و ادغام آن با یک سوزن تنگستن بود. این آرایش میدان الکتریکی تقریباً 25 گیگا ولت بر متر ایجاد کرد که برای یونیزه کردن و شتاب دادن هسته های دوتریوم به یک هدف اربیوم دوترید استفاده شد. در این سطوح انرژی تخمین زده شده، انتظار می رفت که واکنش همجوشی دوتریوم-دوتریوم (D-D) رخ دهد و هلیم-3 و یک نوترون 2.45 مگا الکترون ولت تولید کند. اگرچه این دستگاه به عنوان یک مولد نوترون کاربردی عمل می کند، اما برای تولید برق طراحی نشده است، زیرا به طور قابل توجهی انرژی بیشتری نسبت به تولید انرژی مصرف می کند. مشاهدات واکنش های همجوشی دوتریوم-تریتیوم (D-T) نیز با استفاده از یک هدف اربیوم تریتی شده انجام شده است.

سیستم های هیبریدی همجوشی-شکافت هسته ای، که به عنوان انرژی هسته ای ترکیبی نیز شناخته می شود، یک روش پیشنهادی برای تولید برق است که هم همجوشی هسته ای و هم فرآیندهای شکافت را ادغام می کند. این مفهوم که در دهه 1950 سرچشمه گرفت، در دهه 1970 توسط هانس بته تأیید شد. با این حال، تا زمان ظهور مجدد علاقه در سال 2009، عمدتاً به دلیل چالش های طولانی در دستیابی به قدرت همجوشی خالص قابل دوام، توسعه نیافته باقی ماند.

پروژه PACER، که در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (LANL) در اواسط دهه 1970 انجام شد، امکان سنجی یک سیستم قدرت همجوشی مبتنی بر انفجار بمب های هیدروژنی کوچک (بمب های همجوشی) در یک حفره زیرزمینی را بررسی کرد. این سیستم خاص به عنوان تنها مفهوم قدرت همجوشی قابل دستیابی با فناوری موجود است. با این وجود، قابلیت عملیاتی آن مستلزم تهیه مداوم و قابل توجه بمب‌های هسته‌ای است و در نتیجه عملی بودن اقتصادی چنین سیستمی را بسیار مشکوک می‌کند.

همجوشی حباب، که به طور جایگزین سونوفوژن نامیده می شود، یک روش پیشنهادی برای دستیابی به همجوشی هسته ای از طریق کاویتاسیون صوتی است که در اوایل دهه 2000 توجه قابل توجهی را به خود جلب کرد. تلاش‌های بعدی برای تکرار یافته‌های اولیه ناموفق بود و در سال 2008، روسی طلیارخان، محقق اصلی، مقصر رفتار نادرست تحقیقاتی شناخته شد.

استراتژی های محدودسازی در همجوشی گرما هسته ای

یک چالش اساسی در دستیابی به همجوشی گرما هسته ای کنترل شده شامل محدود کردن پلاسمای بسیار داغ است. با توجه به دمای بالا، پلاسما نمی‌تواند مستقیماً با مواد جامد تماس پیدا کند و این امر مستلزم نگهداری آن در خلاء است. علاوه بر این، این دماهای بالا ذاتاً فشارهای قابل توجهی ایجاد می کنند و باعث می شوند پلاسما به سرعت منبسط شود. در نتیجه، یک نیروی مخالف برای مقابله با این گسترش ضروری است. چنین نیرویی به سه شکل اولیه ظاهر می شود: محصور شدن گرانشی، همانطور که در ستارگان مشاهده می شود. نیروهای مغناطیسی، به کار رفته در راکتورهای همجوشی محصور مغناطیسی؛ یا محصور شدن اینرسی، که در آن واکنش همجوشی به اندازه کافی سریع انجام می شود که اینرسی ذاتی پلاسما قبل از وقوع انبساط قابل توجه یکپارچگی خود را حفظ می کند.

محصول گرانشی
گرانش نیرویی را نشان می‌دهد که قادر است سوخت همجوشی را به اندازه کافی برای برآورده کردن معیار لاوسون محدود کند. با این حال، جرم مورد نیاز آنقدر قابل توجه است که محدودیت گرانشی منحصراً در ستارگان مشاهده می شود. کم جرم ترین ستارگانی که قادر به همجوشی پایدار هستند، کوتوله های قرمز هستند، در حالی که کوتوله های قهوه ای اگر جرم کافی داشته باشند، می توانند دوتریوم و لیتیوم را با هم ترکیب کنند. در ستارگان به اندازه کافی پرجرم، هنگامی که ذخایر هیدروژن در هسته آنها تمام شد، هسته آنها (یا پوسته اطراف) شروع به ذوب هلیوم به کربن می کند. برای پرجرم ترین ستارگان (با جرم بیش از 8 تا 11 خورشیدی)، این روند ادامه می یابد و با ادغام عناصر به تدریج سبک تر تا آهن، انرژی تولید می کند. با توجه به اینکه آهن یکی از بالاترین انرژی های اتصال هسته ای را نشان می دهد، واکنش هایی که عناصر سنگین تر از آهن تولید می کنند، معمولا گرماگیر هستند. در نتیجه، مقادیر قابل توجهی از عناصر سنگین‌تر در طول مراحل تکاملی پایدار ستارگان پرجرم سنتز نمی‌شوند، اما در عوض در طی انفجارهای ابرنواختری تشکیل می‌شوند. برخی از ستاره‌های سبک‌تر نیز این عناصر را در نواحی بیرونی خود در مدت زمان طولانی، با جذب انرژی از فرآیندهای همجوشی داخلی و با گرفتن نوترون‌هایی که در طول همجوشی ساطع می‌شوند، تولید می‌کنند.
از لحاظ نظری، همه عناصری که بیش از آهن در جرم اتمی هستند، دارای انرژی پتانسیل ذاتی هستند که می‌تواند آزاد شود. در پایان نهایی سنتز عناصر، این عناصر سنگین‌تر می‌توانند از طریق شکافت هسته‌ای انرژی تولید کنند، فرآیندی که در آن به هسته‌های کوچک‌تری تقسیم می‌شوند و به سمت جرم اتمی آهن می‌روند. بنابراین، شکافت هسته ای انرژی را آزاد می کند که به طور بالقوه میلیاردها سال قبل در طول سنتز هسته ستاره ای ذخیره شده بود.

محصول مغناطیسی

ذرات باردار الکتریکی، مانند یون‌های سوخت، به خطوط میدان مغناطیسی می‌چسبند. در نتیجه، سوخت همجوشی را می توان به طور موثر از طریق اعمال یک میدان مغناطیسی قدرتمند مهار کرد. برای این منظور از پیکربندی‌های مغناطیسی متنوعی استفاده می‌شود که شامل هندسه‌های حلقوی مانند توکاماک‌ها و ستاره‌ها و همچنین سیستم‌های محصور آینه‌ای باز است.

محصول اینرسی

رویکرد سوم برای محصور کردن شامل ارسال یک پالس انرژی سریع به بخش قابل توجهی از سطح گلوله سوخت همجوشی است که باعث انفجار و گرمایش همزمان تا فشارها و دماهای شدید می شود. چگالی و دمای کافی سوخت برای دستیابی به نرخ واکنش همجوشی به اندازه کافی بالا برای مصرف بخش قابل توجهی از سوخت قبل از پراکندگی آن حیاتی است. دستیابی به این شرایط شدید نیاز به فشرده سازی انفجاری سوخت سرد اولیه دارد. محصور کردن اینرسی در بمب های هیدروژنی به کار می رود، جایی که مکانیسم محرک از اشعه ایکس تولید شده توسط یک بمب شکافت تشکیل شده است. این اصل همچنین در تحقیقات همجوشی هسته‌ای کنترل‌شده با استفاده از محرک‌هایی مانند لیزر، پرتوهای یونی، پرتوهای الکترونی یا پینچ‌های Z مورد بررسی قرار می‌گیرد. یک تکنیک اضافی شامل استفاده از مواد منفجره معمولی برای فشرده کردن سوخت به شرایط مرتبط با همجوشی است. تاسیسات انفجاری UTIAS با موفقیت انفجارهای نیمکره ای پایدار، متمرکز و متمرکز ایجاد کرد که نوترون ها را از واکنش های دوتریوم-دوتریوم (D-D) تولید کرد. ساده ترین و مستقیم ترین روش شناسایی شده شامل یک مخلوط استوکیومتری پیش از انفجار دوتریوم و اکسیژن بود. روش موثر دیگر از کمپرسور مینیاتوری Voitenko استفاده می‌کند که در آن یک موج انفجاری یک دیافراگم مسطح را به داخل یک حفره کروی کوچک ثانویه حاوی گاز دوتریوم خالص در یک اتمسفر رانده می‌کند.

محصور الکترواستاتیک
دستگاه‌های همجوشی محصورکننده الکترواستاتیک اینرسی (IEC) دسته دیگری را نشان می‌دهند که از میدان‌های الکترواستاتیک برای محدود کردن یون‌ها استفاده می‌کنند. فیوزور شناخته شده ترین نمونه از چنین دستگاهی است. به طور معمول، این دستگاه دارای یک کاتد است که در یک قفس سیم آندی قرار گرفته است. یون‌های مثبت به سمت قفس داخلی با بار منفی شتاب می‌گیرند و در طول مسیرشان توسط میدان الکتریکی گرم می‌شوند. اگر این یون ها از قفس داخلی عبور کنند، پتانسیل برخورد و جوش خوردن را دارند. با این وجود، بخش قابل توجهی از یون‌ها بر کاتد تأثیر می‌گذارند که منجر به تلفات رسانایی بسیار بالا می‌شود. علاوه بر این، نرخ همجوشی در همجوشی ها به طور قابل توجهی پایین است که به پدیده های فیزیکی رقابتی مانند اتلاف انرژی از طریق تابش نور نسبت داده می شود. برای کاهش مسائل مربوط به قفس سیمی، طرح‌های جایگزینی پیشنهاد شده‌اند که میدان محصورکننده را با استفاده از یک ابر پلاسمایی غیر خنثی ایجاد می‌کنند. نمونه‌هایی از این طرح‌ها شامل دستگاه‌های نوسان‌کننده پلاسما، تله‌های پنینگ و پلی‌ول است. این فناوری نسبتاً نوپا باقی مانده است و چالش های علمی و مهندسی متعددی هنوز حل نشده است.
از سال 1999، بسیاری از علاقه مندان آماتور رآکتورهای همجوشی خانگی را بر اساس طراحی فیوزور ساخته اند. دستگاه‌های محصورکننده الکترواستاتیک اینرسی (IEC) اضافی تحت بررسی شامل مفاهیم Polywell، MIX POPS و Marble هستند.

واکنش‌های مهم

زنجیره‌های واکنش همجوشی ستاره‌ای

در هسته‌های ستاره‌ای، با توجه به دما و چگالی غالب، سرعت واکنش همجوشی به‌طور قابل‌توجهی کند است. به عنوان مثال، در دمای هسته خورشیدی (T ≈ 15 MK) و چگالی (160 g/cm³)، نرخ آزاد شدن انرژی فقط 276 μW/cm§45§ است، که تقریباً یک چهارم نرخ تولید گرمای حجمی بدن انسان در حال استراحت است. در نتیجه، تکرار شرایط هسته ستاره‌ای در محیط آزمایشگاهی برای تولید برق از همجوشی هسته‌ای کاملاً غیرعملی است. با توجه به اینکه نرخ‌های واکنش هسته‌ای به چگالی و دما بستگی دارد، و اکثر روش‌های همجوشی زمینی در چگالی نسبتاً پایین عمل می‌کنند، این روش‌ها به طور بحرانی بر دستیابی به دماهای بسیار بالاتر متکی هستند. وابستگی نمایی نرخ همجوشی به دما (exp(−E/kT)) ایجاب می‌کند که راکتورهای زمینی ۱۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از دمای موجود در فضای داخلی ستاره‌ها، به ویژه T ≈ برسند. (0.1–1.0)×§161718§ K.

معیارها و واکنش‌های نامزد برای همجوشی زمینی

در همجوشی مصنوعی، انتخاب سوخت اولیه به پروتون محدود نمی‌شود و توانایی استفاده از دماهای بالاتر امکان انتخاب واکنش‌هایی را فراهم می‌کند که سطح مقطع بزرگ‌تری را نشان می‌دهند. یک نکته قابل توجه تولید نوترون است که می تواند ساختار راکتور را از نظر رادیولوژیکی فعال کند. با این حال، نوترون ها همچنین مزایایی مانند امکان استخراج حجمی انرژی همجوشی و تسهیل پرورش تریتیوم را ارائه می دهند. واکنش‌هایی که نوترون تولید نمی‌کنند به‌عنوان غیر نوترونی تعیین می‌شوند.
برای اینکه یک واکنش همجوشی به‌عنوان منبع انرژی قابل‌دوام عمل کند، باید چندین معیار اساسی را رعایت کند، از جمله:
گرمازی را نشان دهید

این معیار واکنش‌دهنده‌ها را محدود به واکنش‌دهنده‌هایی می‌کند که در سمت منحنی انرژی اتصال هسته‌ای با عدد اتمی پایین (Z یا تعداد پروتون‌ها) قرار دارند. علاوه بر این، هلیوم §56§
او را به‌عنوان محصول واکنش هسته‌ای غالب، هر چند به‌دلیل دوگانه قوی‌اش، معرفی می‌کند. §1617§
او و §27

28H نیز مشاهده می شود.

درگیر هسته هایی با عدد اتمی پایین (Z)
دافعه الکترواستاتیکی که به عنوان سد کولن شناخته می‌شود، باید برای هسته‌ها غلبه کرد تا به نزدیکی کافی برای همجوشی دست یابند. این مانع به طور مستقیم با تعداد پروتون های درون یک هسته، که عدد اتمی آن است، متناسب است.
دو واکنش دهنده را شامل می شود.

برخورد سه جسم در چگالی کمتر از آنچه در محیط های ستاره ای وجود دارد بسیار غیرمحتمل است. در همجوشی محصور اینرسی (ICF)، برای کاهش محدودیت‌های اعمال شده توسط زمان محدود بسیار کوتاه، که سومین پارامتر از معیار لاوسون است، از چگالی و دما فراتر می‌رود.

دو یا چند محصول تولید کنید.

این مشخصه حفظ همزمان انرژی و تکانه، مستقل از نیروی الکترومغناطیسی را امکان پذیر می کند.

حفظ حفاظت از پروتون و نوترون.

مقطعات مرتبط با برهمکنش ضعیف بسیار کوچک هستند.

فقط تعداد محدودی از واکنش‌ها این معیارها را برآورده می‌کنند. فهرست بعدی مواردی را که بیشترین سطح مقطع را نشان می دهند نشان می دهد:

در واکنش‌هایی که دو محصول تولید می‌کنند، انرژی به طور معکوس با جرم مربوطه توزیع می‌شود، همانطور که نشان داده شد. برعکس، توزیع انرژی معمولاً در واکنش‌هایی که سه محصول تولید می‌کنند متفاوت است. برای واکنش‌هایی که قادر به تولید مجموعه‌های محصول متعدد هستند، نسبت‌های انشعاب مربوطه ارائه شده است.

برای واکنش‌هایی با دو محصول، انرژی بین آنها به نسبت معکوس جرم آنها تقسیم می‌شود. در اکثر واکنش‌ها با سه محصول، توزیع انرژی متفاوت است. برای واکنش‌هایی که می‌توانند منجر به بیش از یک مجموعه محصول شوند، نسبت‌های انشعاب داده می‌شوند.
واکنش‌های کاندید خاصی را می‌توان بلافاصله حذف کرد. واکنش D–⁶لی هیچ مزیت قابل‌توجهی نسبت به p⁺–¹¹
§1010 دشواری سوزاندن قابل مقایسه با این حال نوترون های بیشتری را از طریق §18^19§
§2122§D–§29^{30§3span.span.
§32}span>–§32. علاوه بر این، یک p⁺–§42^43§
§4546§وجود واکنش متقاطع کم، اما به شدت مرتبط است فقط زمانی که T_i > 1 مگا ولت با این حال، در چنین دماهای بالا، یک واکنش گرماگیر که مستقیماً نوترون تولید می کند نیز اهمیت قابل توجهی پیدا می کند. در نهایت، واکنش p⁺–§61
62§
§6465§Be نه تنها برای شروع چالش برانگیز است، بلکه شامل §72
73§
§7576§Be، که می‌تواند به آسانی به شکافت به دو ذره آلفا و یک نوترون القا شود. برای "پرورش" تریتیوم در بمب های همجوشی "خشک" و راکتورهای همجوشی مفهومی خاص:
دومین مورد از این دو معادله در زمان آزمایش بمب همجوشی Castle Bravo در ایالات متحده در سال 1954 درک نشد. از آنجایی که تنها دومین بمب همجوشی تا کنون آزمایش شده است، و اولین موردی که لیتیوم را در خود جای داده است، طراحان Castle Bravo "Shrimp" نسل 6 Litility را تشخیص دادند. با این حال، آنها پیش بینی نمی کردند که شکافت 7Li به طور قابل ملاحظه ای بازده بمب را افزایش دهد. اگرچه 7Li سطح مقطع نوترونی متوسطی را در انرژی های نوترونی کم نشان می دهد، این مقطع به طور قابل توجهی بالاتر از 5 مگا ولت افزایش می یابد. بازده 15 میلیون تنی به میزان 150 درصد از 6 میلیون تن پیش‌بینی‌شده فراتر رفت و منجر به قرار گرفتن در معرض ریزش غیرقابل پیش‌بینی شد.

دو معادله دوم زمانی که ایالات متحده آزمایش بمب همجوشی Castle Bravo را در سال 1954 انجام داد، ناشناخته بود. طراحان Castle Bravo "میگو" به عنوان دومین بمب همجوشی آزمایش شده (و اولین بمبی که از لیتیوم استفاده می کرد) سودمندی ⁶ را درک کرده بودند، اما Lit در trit آن را تشخیص ندادند. شکافت بازده بمب را تا حد زیادی افزایش می دهد. در حالی که ⁷Li دارای سطح مقطع نوترونی کوچک برای انرژی های نوترونی کم است، سطح مقطع بالاتری بالای 5 مگا ولت دارد. بازده 15 Mt 150% بیشتر از 6 Mt پیش بینی شده بود و باعث قرار گرفتن غیرمنتظره در معرض ریزش شد.
برای ارزیابی اثربخشی این واکنش ها، علاوه بر شناسایی واکنش دهنده ها، محصولات و انرژی آزاد شده، درک سطح مقطع هسته ای آنها ضروری است. هر دستگاه همجوشی دارای حداکثر فشار پلاسمای پایدار است و یک دستگاه اقتصادی مقرون به صرفه همواره نزدیک به این حد عمل می کند. تحت این فشار، حداکثر خروجی همجوشی زمانی حاصل می شود که دما به گونه ای بهینه شود که ⟨σv⟩/T§78§ به اوج خود برسد. این دما همچنین با حداقل مقدار محصول سه گانه nTτ مورد نیاز برای احتراق مطابقت دارد، زیرا این مقدار لازم با ⟨σv⟩/T§1920§ نسبت معکوس دارد. (اشتعال پلاسما زمانی اتفاق می‌افتد که واکنش‌های همجوشی قدرت کافی برای حفظ دما بدون گرمایش خارجی تولید می‌کنند.) دمای بهینه و مقدار متناظر ⟨σv⟩/T§2930§ برای مجموعه‌ای از این واکنش‌ها در جدول زیر ارائه شده است.
توجه به این نکته مهم است که واکنش های متعددی در زنجیره های متوالی رخ می دهد. برای مثال، راکتوری با استفاده از ³
§67§T و §1 style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">15§
§1718§او همانطور که سوخت تولید می کند §2526§
§2829§D، که متعاقباً می‌تواند در §3637§
§3940§D–§47^{48§
§5051§}او واکنش تحت شرایط انرژی مناسب. یک مفهوم پیچیده شامل ادغام واکنش های (8) و (9) است. §58^{59§
§6162§}او که توسط واکنش (8) تولید می‌شود، می‌تواند با 70§
§72^73§ در واکنش کامل این فرآیند یک پروتون پرانرژی تولید می کند که سپس قبل از رسیدن به تعادل حرارتی در واکنش (8) شرکت می کند. با این حال، تجزیه و تحلیل جامع نشان می دهد که این رویکرد موثر نخواهد بود، و به عنوان یک تصویر قابل توجه در مواردی که فرض مرسوم یک پلاسمای ماکسولین قابل اجرا نیست، عمل می کند.

فراوانی سوخت همجوشی هسته ای

نوترونیکی، محدودیت ها، و محدودیت های قدرت
اساساً، هر یک از واکنش های ذکر شده می تواند به عنوان پایه ای برای تولید برق همجوشی عمل کند. فراتر از پارامترهای دما و سطح مقطع که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، ارزیابی انرژی کل محصولات همجوشی E_fus، انرژی مرتبط با محصولات همجوشی باردار E_ch و عدد اتمی Z غیرهیدروژنی که بازتعریف می‌کند ضروری است. واکنش §34§
§67§D–§1415§
§1718§د چندین چالش را به همراه دارد. در ابتدا، لازم است میانگین بین دو شاخه مجزا، (2i) و (2ii) محاسبه شود. یک مسئله پیچیده تر شامل تعیین درمان مناسب برای §25^{26§
§2829§}T style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">37§
§3940§او محصولات. ایزوتوپ §47^{48§
§5051§}T چنین ایزوتوپ را نشان می‌دهد که به طور غیرقابل‌آزاری در سوزاندن غیرقابل‌مصرف‌تر در داخل پلاسمایی می‌شود. برعکس، §5859§
§6162§D–§69^{70§
§7273§}او واکنش او در دمای بالا به میزان قابل توجهی عملکرد مطلوبی را به دست می‌آورد که به طور بالقوه منجر به نرخ سوختگی پایین در بهینه می‌شود. §8081§
§8384§D–§9192§
§9495§د دما. در نتیجه، یک فرض قابل قبول است که §102^{103§
§105106§} §113^{114§
§116117§}او، تحت واکنش سوختن کامل انرژی خود در آنجا قرار می گیرد. این نشان می دهد که واکنش کلی نشان دهنده جمع (2i)، (2ii) و (1) است:

واکنش کلی حاصل این است: 5 §34§
§67§D → §1415§
§1718§>هپان n§2223§ + §27^{28§
§3031§}اوه کل انرژی + E_fus = 4.03 + 17.6 + 3.27 = 24.9 مگا ولت و انرژی ذرات باردار E_ch = 4.03 + 3.5 + 0.82 = 8.35 مگا الکترون ولت
برای تعیین توان خروجی یک راکتور، که در آن سرعت واکنش توسط مرحله D-D کنترل می شود، §34§
§67§D–§1415§
§1718§D انرژی واکنش همجوشی در هر D–D محاسبه می‌شود E_fus = (4.03 MeV + 17.6 MeV) × 50% + (3.27 MeV) × 50% = 12.5 MeV، و انرژی موجود در ذرات باردار E_ch = (4.0 × 5 MeV + 8.05 MeV) است. MeV) × 50٪ = 4.2 MeV. لازم به ذکر است که اگر یون تریتیوم با دوترون واکنش نشان دهد در حالی که دارای انرژی جنبشی قابل توجهی است، انرژی جنبشی هلیوم-4 حاصل می تواند به طور قابل توجهی از 3.5 مگا ولت منحرف شود و این محاسبه انرژی ذرات باردار را تقریبی از میانگین می کند. بازده انرژی به ازای هر دوترون مصرفی به 2/5 این مقدار می رسد، معادل 5.0 مگا ولت، که مربوط به انرژی ویژه تقریبا 225 میلیون مگاژول در هر کیلوگرم دوتریوم است.
یک ویژگی متمایز دیگر از §34§
§67§D–§1415§
§1718§Dدواکنش ضروری است که در طول واکنش، سرعت واکنش لازم را در نظر بگیرید محاسبات.
با توجه به این انتخاب، پارامترهای چهار تا از بحرانی‌ترین واکنش‌ها به شکل جدولی ارائه می‌شوند.

ستون پایانی نوترونی بودن واکنش را نشان می‌دهد که نسبت انرژی همجوشی منتشر شده به عنوان نوترون را کمیت می‌کند. این معیار به عنوان یک شاخص حیاتی برای ارزیابی شدت چالش‌های مرتبط با نوترون، از جمله آسیب تشعشع، الزامات محافظ بیولوژیکی، پیچیدگی‌های مدیریت از راه دور و ملاحظات ایمنی کلی عمل می‌کند. برای دو واکنش اولیه، این مقدار با استفاده از فرمول (E_fus − E_ch)/E_fus محاسبه می‌شود. در مورد دو واکنش اخیر، که در آن محاسبه مستقیم صفر را به دست می‌دهد، مقادیر ارائه‌شده تخمین‌های تقریبی هستند که از واکنش‌های ثانویه که نوترون‌ها را در پلاسما در تعادل گرمایی تولید می‌کنند، به دست می‌آیند.
نسبت‌های واکنش‌دهنده بهینه برای عملکرد کارآمد ضروری است. این حالت بهینه زمانی حاصل می شود که هر یون واکنش دهنده، همراه با الکترون های مرتبط با آن، نیمی از فشار کل را تشکیل دهند. با توجه به فشار کل ثابت، چگالی ذرات یک یون غیر هیدروژنیک با ضریب 2/(Z + 1) کمتر از یک یون هیدروژنی خواهد بود. در نتیجه، سرعت واکنش برای این فرآیندها با این عامل کاهش می‌یابد، علاوه بر هر گونه تغییر در مقادیر ⟨σv⟩/T§1112§. برعکس، §1718§
§2021§D–§2829§
§3132§D واکنش نشان می‌دهد که دوبار واکنش نشان می‌دهد. هنگامی که سوخت از دو گونه هیدروژنی متمایز تشکیل می شود، در نتیجه بازده واکنش را افزایش می دهد.
در نتیجه، سوخت های غیرهیدروژنیک دارای ضریب جریمه ای برابر با 2/(Z + 1) می شوند، زیرا به تعداد بیشتری از الکترون ها نیاز دارند، که بدون ایجاد فشار باعث مصرف الکترون می شود. (در حالی که دمای الکترون به طور معمول به دمای تقریبی یون فرض می شود، برخی از محققان سناریوهایی را بررسی می کنند که در آن الکترون ها به طور قابل توجهی سردتر از یون ها نگهداری می شوند. در چنین "حالت یون داغ"، این "جریمه" غیر قابل اعمال خواهد بود.) به طور همزمان، §78§
§1011§D–§1819§
§2122§D هر یک از عوامل واکنش بینابینی می‌توانند با هر نوع واکنشی که می‌توانند 2 وجود داشته باشند، سود می‌برند. به جای محدود شدن به یک زیرمجموعه.
اکنون می توان این واکنش ها را در جدول بعدی مقایسه کرد.

مقدار اوج ⟨σv⟩/T§78§ از جدول قبلی گرفته شده است. عامل "پنالتی/پاداش" به یک واکنش دهنده غیر هیدروژنیک یا یک واکنش تک گونه مربوط می شود. ورودی‌های ستون «واکنش‌پذیری معکوس» با تقسیم 1.24×§1415§−24 بر حاصل ضرب مقادیر ستون‌های دوم و سوم به دست می‌آیند. این عامل کاهش نسبی سرعت واکنش را برای سایر واکنش ها در مقایسه با §2122§
§2425§D–§3233§§
><3522§
§2425§–§3233§§
><3535 شرایط ستون "معیار لاوسون" دارای E_ch است تا افزایش دشواری دستیابی به اشتعال با این واکنش ها را نسبت به چالش ایجاد شده توسط واکنش §4748§
§5051§D–§5859§
§6162§T. ستون ماقبل آخر که "چگالی توان" تعیین شده است، واکنش عملی را با E_fus مقیاس می‌دهد. ستون نهایی نشان می دهد که تا چه حد چگالی توان همجوشی سایر واکنش ها کمتر از چگالی توان همجوشی واکنش های دیگر است. §7374§
§7677§D–§8485§
§8788§Tبه عنوان شاخصی از واکنش اقتصادی آنها، وجود دارد. زنده بودن.

تلفات Bremsstrahlung
Isotropic_plasmas در Quasineutral

در بسیاری از سیستم‌ها، یون‌های تحت همجوشی همواره با الکترون‌ها هم‌محل هستند که مجموعاً بار الکتریکی خالص یون‌ها را خنثی می‌کنند و در نتیجه پلاسما را تشکیل می‌دهند. معمولاً، این الکترون‌ها دمایی معادل یا فراتر از دمای یون‌ها دارند که منجر به برخوردهایی می‌شود که منجر به گسیل تابش پرتو ایکس 10 تا 30 keV می‌شود، پدیده‌ای که Bremsstrahlung نامیده می‌شود.

ابعاد قابل توجه خورشید و سایر ستارگان نشان می دهد که پرتوهای ایکس تولید شده در طول این فرآیند قادر به فرار نیستند، در عوض انرژی خود را دوباره در پلاسما ذخیره می کنند. در نتیجه، این اجرام آسمانی در برابر اشعه ایکس مات در نظر گرفته می شوند. در مقابل، هر راکتور همجوشی زمینی از نظر نوری نسبت به اشعه ایکس در این طیف انرژی نازک خواهد بود. در حالی که انعکاس اشعه ایکس چالش برانگیز است، آنها به طور موثر جذب شده و با ضخامت کمتر از یک میلی متر از فولاد ضد زنگ، ماده ای که معمولا در محافظ راکتور استفاده می شود، به گرما تبدیل می شوند. این مکانیسم جذب نشان می‌دهد که فرآیند bremsstrahlung حذف انرژی از پلاسما را تسهیل می‌کند و در نتیجه به خنک‌سازی آن کمک می‌کند.

نسبت قدرت همجوشی تولید شده به تشعشعات پرتو ایکس منتشر شده به دیواره‌های راکتور، یک رقم بسیار مهم است. این نسبت خاص معمولاً در دمای بسیار بالاتری نسبت به دمایی که چگالی توان را بهینه می‌کند به حداکثر خود می‌رسد (همانطور که در بخش فرعی قبل بحث شد). جدول بعدی دماهای بهینه تخمینی و نسبت‌های توان مربوطه را برای واکنش‌های همجوشی مختلف نشان می‌دهد.

پیش‌بینی می‌شود که نسبت واقعی توان همجوشی به توان Bremsstrahlung به دلیل عوامل متعددی بسیار پایین‌تر باشد. اولاً، محاسبات اساسی فرض می‌کند که انرژی حاصل از محصولات همجوشی به طور کامل به یون‌های سوخت منتقل می‌شود، که متعاقباً انرژی را از طریق برخورد به الکترون‌ها منتقل می‌کنند و الکترون‌ها سپس انرژی خود را از طریق Bremsstrahlung از دست می‌دهند. با این وجود، با توجه به اینکه محصولات همجوشی دارای سرعت های قابل توجهی بالاتر از یون های سوخت هستند، بخش قابل توجهی از انرژی آنها مستقیماً به الکترون ها منتقل می شود. ثانیا، یون های پلاسما به عنوان یون های سوخت منحصرا ایده آل هستند. در واقع، نسبت قابل توجهی از یون های ناخالصی وجود خواهد داشت که در نتیجه این نسبت را کاهش می دهد. به طور خاص، خود محصولات همجوشی باید در داخل پلاسما باقی بمانند تا زمانی که انرژی آنها به طور کامل تلف شود، و برای مدت طولانی در هر رویکرد حبس پیشنهادی در آنجا باقی خواهند ماند. در نهایت، تمام مکانیسم های اتلاف انرژی به غیر از Bremsstrahlung نادیده گرفته شده اند. دو عامل اخیر به هم مرتبط هستند. شواهد تئوری و تجربی همبستگی قوی بین محصور شدن ذرات و انرژی را نشان می دهد. در یک سیستم محبوس که در حفظ انرژی مهارت دارد، محصولات همجوشی انباشته می شوند. برعکس، اگر محصولات همجوشی به طور موثر دفع شوند، محدودیت انرژی نیز به خطر می افتد.

دماهایی که قدرت همجوشی را نسبت به تشعشعات برمسترالونگ به حداکثر می‌رسانند به طور مداوم بالاتر از دماهایی هستند که چگالی توان را به حداکثر می‌رسانند و محصول سه‌گانه همجوشی مورد نیاز را به حداقل می‌رسانند. در حالی که این تفاوت نقطه عملکرد بهینه برای §34§
§67§D–§14^{15§
§1718§}T به دلیل کسر Bremsstrahlung پایین، سایر سوخت‌ها را به رژیم‌های عملیاتی نسبت به قدرت تغییر می‌دهد. §2526§
§2829§D–§36^{37§
§3940§}T حتی پایین‌تر است و حصار لازم را چالش‌برانگیزتر می‌کند. برای §4748§
§5051§D–§5859§
§6162§D و §6970§
§7273§D–§80^{81§
§8384§}او، زیان های Bremsstrahlung به عنوان یک مانع قابل توجه و بالقوه غیرقابل عبور پیش بینی می شود. برای §91^{92§
§9495§}او–<2§1 style="font-size:inherit;line-height:inherit;vertical-align:baseline">103§
§105106§او، p⁺–§115116§
§118^119§و+–§128129§
§131
132§B، به نظر می‌رسد تلفات Bremsstrahlung باعث می‌شود راکتور همجوشی با استفاده از این سوخت‌ها با یک پلاسمای شبه‌تروپیک خنثی غیرقابل استفاده باشد. اگرچه برخی راه‌حل‌های بالقوه برای این معضل بررسی شده است، اما متعاقباً رد شده‌اند. این محدودیت خاص به پلاسمای غیر خنثی و ناهمسانگرد گسترش نمی یابد. با این حال، این پیکربندی‌های پلاسما جایگزین چالش‌های متمایز خود را نشان می‌دهند.

توضیح ریاضی مقطع

ادغام در فیزیک کلاسیک

در یک چارچوب کلاسیک، هسته‌های اتم را می‌توان به‌عنوان کره‌های صلب تصور کرد که دافعه متقابل را از طریق نیروی کولن اعمال می‌کنند، اما زمانی که مجاورت آنها اجازه تماس مستقیم را می‌دهد، تحت همجوشی قرار می‌گیرند. بر اساس شعاع تخمینی هسته اتمی تقریباً یک فمتومتر، انرژی مورد نیاز برای همجوشی دو هسته هیدروژن است:

E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->[{\text{2 protons}}]}} {e^{2}}{1\ {\ce {fm}}}}\approx 1.4\ {\ce {MeV}}

19§ §2122§ π ε §3132§ Z §4546§ Z §53

{\displaystyle E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->54§ </mrow> </msub> </mrow> <mi>r</mi> </mfrac> </mrow> <mrow class=

§7879§ §8182§ π ε §9192§ e §104

{\displaystyle E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->105§ </mrow> </msup> <mrow> §109<span>110§ <mtext> </mtext> <mrow class=

≈ 1.4 MeV {\displaystyle E_{\ce {thresh}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->[{\text{2 پروتون}}]}}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {Z_{1}Z_{2}}{r}}{\ce {->[{\text{2 پروتون}}]}} {e^{2}}{1\ {\ce {fm}}}}\approx 1.4\ {\ce {MeV}}}

در نتیجه، برای هسته خورشیدی که با توزیع بولتزمن در حدود 1.4 کو مشخص می شود، احتمال کلاسیک رسیدن هیدروژن به این آستانه بسیار کم است، تخمین زده شده در 10^-290، که عملاً از همجوشی جلوگیری می کند. با این وجود، همجوشی هسته‌ای به وضوح در خورشید انجام می‌شود، پدیده‌ای که به اثرات مکانیکی کوانتومی نسبت داده می‌شود.

پارامترسازی مقطع فیوژن

احتمال همجوشی هسته‌ای به طور قابل ملاحظه‌ای فراتر از پیش‌بینی‌های کلاسیک افزایش می‌یابد، عمدتاً به دلیل لکه‌دار شدن شعاع مؤثر توسط طول موج دو بروگل و تونل زدن کوانتومی از طریق مانع پتانسیل. برای تعیین سرعت واکنش‌های همجوشی، سطح مقطع یک پارامتر حیاتی است، زیرا احتمال همجوشی ذرات را با تعریف یک منطقه برهمکنش مشخص کمی نشان می‌دهد. تخمین سطح مقطع همجوشی معمولاً به سه جزء تشکیل دهنده تقسیم می شود:

\sigma \approx \sigma _{\text{geometry}}\times T\times R,

اینجا، $\sigma _{\text{geometry}}$ نشان دهنده سطح مقطع هندسی، T نشان دهنده شفافیت مانع، و R نشان دهنده ویژگی های واکنش است.

مقطع هندسی، $\sigma _{\text{هندسه}}$ ، تقریباً معادل مربع طول موج دو بروگل است. این رابطه به صورت زیر بیان می شود: ${\displaystyle \sigma _{\text{geometry}}\approx \lambda ^{2}={\bigg (}{\frac {\hbar }{m_{\text{r}}v}}{\bigg )}^{2}\c{1}ep xmlns=$ =(ℏmrv)§84 $\sigma _{\text{geometry}}$ §9495§ϵ{\displaystyle \sigma _{\text{da\biggla}} (}{\frac {\hbar }{m_{\text{r}}v}}{\bigg )}^{2}\propto {\frac {1}{\epsilon }}}. در اینجا، $m_{\text{r}}$ ، کاهش جرم سیستم

alttext="{\displaystyle \epsilon }" xmlns="w3.org/1998/Math/MathML">ϵ{\displaystyle \epsilon } انرژی مرکز جرم آن را نشان می‌دهد.

شفافیت، T را می توان با شفافیت Gamow تقریب زد، که به صورت زیر بیان می شود: $T\approx e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}$ /ϵ{\displaystyle T\ep\sil\sqep^{\displaystyle T\ep\sil\sqep^{ }}}}. در این زمینه، $\epsilon _{G}=(\pi \alpha Z_{1}Z_{2})^{2}\times 2m_{\text{r}}c^{2}$ 80§Z§8788§)§9495§×§102§102ubrowmi>10 class="MJX-TeXAtom-ORD">rc§116117§x _{G}=(\pi \alpha Z_{1}Z_{2})^{2}\times 2m_{\text{r}}c^{2}} نشان دهنده ضریب Gamow است که از محاسبات احتمال تونل زنی کوانتومی از طریق مانع پتانسیل

مشتق شده است.

اصطلاح R فیزیک هسته‌ای ذاتی یک واکنش خاص را در بر می‌گیرد و تنوع قابل‌توجهی را مشروط به ویژگی‌های خاص برهم‌کنش نشان می‌دهد. با این وجود، در اکثر واکنش‌ها، نوسان $R(\epsilon )$ ${\displaystyle S(\epsilon )>$

\sigma (\cappsil) )}{\epsilon }}e^{-{\sqrt {\epsilon _{G}/\epsilon }}}

فرمول‌بندی‌های پیشرفته برای مقطع را می‌توان با استفاده از مدل‌های مبتنی بر فیزیک هسته‌ای و نظریه ماتریس R بدست آورد.

عبارات ریاضی برای مقاطع فیوژن

فرمول فیزیک پلاسما که توسط آزمایشگاه تحقیقات دریایی منتشر شده است، سطح مقطع کل را که در انبارها بیان می شود، به عنوان تابعی از انرژی ذره فرودی (بر حسب keV) هدایت شده به یک یون هدف ثابت ارائه می دهد، که به طور دقیق با فرمول زیر نشان داده می شود:

\sigma ^{\text{NRL}}(\epsilon )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big1}{2}epsilon ^{ (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}

78§ ) − §909ms>909ms> A §97

\sigma ^{\text{NRL}}(\epsilon )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big)^{2}+1{\big (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}

ϵ stretch e A §117118§ <--> --ϵ< <--> ---> class="MJX-TeXAtom-ORD"> − §129130§ / §135 $\sigma{\}\next )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big )}^{-1}A_{2}}{\epsilon (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}$ − §143144§ ) > {\displaystyle \sigma ^{\text{NRL}}(\epsilon )={\frac {A_{5}+{\big (}(A_{4}-A_{3}\epsilon )^{2}+1{\big 1}\epsilon ^{- (e^{A_{1}\epsilon ^{-1/2}}-1)}}} این رابطه با معادله زیر با مقادیر ضرایب مربوطه آن تعریف می شود:

Bosch-Hale علاوه بر این، مقاطع محاسبه‌شده با ماتریس R را ارائه می‌کند که با استفاده از ضرایب تقریبی منطقی Padé به داده‌های مشاهده‌ای برازش می‌شوند. وقتی انرژی بر حسب کیلوالکترون ولت (keV) و مقاطع عرضی بر حسب میلی بارن بیان می شود، ضریب شکل زیر را به خود می گیرد:

S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {A_{1}+\epsilon {\bigg (}A_{2}+\epsilon {\big (}A_{3}+\epsilon (\big) )}{\bigg )}}{1+\epsilon {\bigg (}B_{1}+\epsilon {\big (}B_{2}+\epsilon (B_{3}+\epsilon B_{4}){\big )}{\bigg )}}}

${\displaystyle \sigma ^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )={\frac {S^{\text{Bosch-Hale}}(\epsilon )}{\epsilon \exp(\epsilon _{G}/{\sqrt}) xmlns=$ متوسط مقاطع هسته ای ماکسول

در سیستم‌های همجوشی که تحت تعادل حرارتی کار می‌کنند، ذرات توزیع ماکسول-بولتزمن را نشان می‌دهند که با طیفی از انرژی‌ها در مرکز دمای پلاسما مشخص می‌شود. نمونه‌هایی از سیستم‌هایی که به‌طور دقیق در حالت تعادل حرارتی مدل‌سازی شده‌اند شامل خورشید، پلاسماهای محصور مغناطیسی و سیستم‌های همجوشی محصور اینرسی می‌شوند. برای چنین سناریوهایی، پارامتر مهم مقطع همجوشی است که در توزیع ماکسول-بولتزمن به طور میانگین محاسبه می شود. فرمول فیزیک پلاسما آزمایشگاه تحقیقات دریایی، واکنش‌پذیری‌های مقطعی همجوشی جدول‌بندی شده با میانگین ماکسول را ارائه می‌کند که در واحدهای $\mathrm {cm^{3}/s}$ .

برای انرژی‌های تا $T\leq 25{\text{ keV}}$ ، داده‌های مربوطه را می‌توان با استفاده از عبارت زیر به دقت مدل‌سازی کرد:

{\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DD}=2.33\times 10^{-14}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-18.76\ T^{-1/3}/ma xmlns=

⋅e18.76 T−§9192§/§9798§

m§112113§

/s{\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DD}=2.33\times 10^{-14}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-18.76\ T^{3}/sm/

{\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DT}=3.68\times 10^{-12}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-19.94\ T^{-1/3}}\mathrm xmlns=

92§ / §97<معناشناسی>98§ ج m §114<معناشناسی>115§ / s {\displaystyle ({\overline {\sigma v}})_{DT}=3.68\times 10^{-12}\cdot T^{-2/3}\cdot e^{-19.94\ T^{-1/3}}\math

در اینجا، T بر حسب کیلوالکترون ولت (keV) بیان می شود.

مراجع

مقاله با عنوان "همجوشی هسته ای چیست؟" از NuclearFiles.org از انتشار اصلی آن در 28 سپتامبر 2006 بایگانی شد و متعاقباً در 12 ژانویه 2006 بازیابی شد. بازیابی شده .

"همجوشی هسته ای چیست؟". NuclearFiles.org. بایگانی شده از نسخه اصلی در 28 سپتامبر 2006. بازیابی شده 12 ژانویه 2006.(PDF) را تالیف کردند، فصلی از کار خود، فیزیک همجوشی اینرسی: برهمکنش پلاسما پرتو، هیدرودینامیک، ماده چگال داغ. نسخه)، توسط Clarendon Press در آکسفورد منتشر شد. ISBN 978-0-19-856264-1 است. title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rft.genre=bookitem&rft.atitle=Nuclear+Fusion+Reactions&rft. =فیزیک+اینرسی+همجوشی%3A+پرتو+پلاسما+برهمکنش%2C+هیدرودینامیک%2C+ماده+گرم+چگال&rft.place=Oxford&rft.series=سری+بین المللی+m onographs+on+physics&rft.edition=Repr&rft.pub=Clarendon+Press&rft.date=2004&rft.isbn=978-0-19-856264-1&rft.aulast=Atzeni&rft. =Stefano&rft.au=Meyer-ter-Vehn%2C+J%C3%BCrgen&rft_id=http%3A%2F%2Fco.uk%2Fpdf%2F0-19-856264-0.pdf𝔯_id=info%3Asid%2Fen.<
برومفیل، جف (22 مه 2006). " under="">طبیعت. DOI مقاله 10.1038/news060522-2، ISSN 0028-0836، و S2CID 62598131 است. cs1" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rft.genre=article&rft.jt itle=طبیعت&rft.atitle=آشوب+می تواند+همجوشی+تحت+کنترل+را+ نگه دارد&rft.date=2006-05-22&rft_id=https%3A%2F%2Fa pi.semanticscholar.org%2FCorpusID%3A62598131%23id-name%3DS2CID&rft.issn=0028-0836&rft_id=info%3Adoi%2F10.10 38%2Fnews060522-2&rft.aulast=Brumfiel&rft.aufirst=Geoff𝔯_id=info%3Asid%2Fen.

Bussard, Robert (8 اکتبر 2007) [در ابتدا در 9 نوامبر 2006 ارائه شد]، یک ارائه ویدئویی با عنوان آیا گوگل باید هسته ای شود؟ پاک، ارزان، انرژی هسته ای... به عنوان بخشی از Google TechTalks، قابل دسترسی از طریق YouTube. (PDF)

را از طریق موسسه اکولوژی اتریش منتشر کردند. (PDF) اصلی در 26 ژانویه 2021 بایگانی شد و سند در 8 اکتبر 2008 بازیابی شد. . بازیابی شده .. بازیابی شده .978-1-4757-9321-5 است. نسخه اصلی در 16 ژانویه 2023 بایگانی شد و در همان تاریخ بازیابی شد.

NuclearFiles.org – مخزن اسناد مربوط به انرژی هسته ای.
NRL Fusion Formulary در 26 اکتبر 2020 در Wayback Machine بایگانی شد
"FusionWiki".منبع: بایگانی آکادمی TORIma

همجوشی هسته ای (Nuclear fusion)