Was ist die theoretische Effizienz der Fusion?

Was ist die theoretische Grenze der Energiemenge, die einer Fusionsreaktion entzogen werden kann? Ich spreche nicht von der praktischen Effizienz eines Reaktors, sondern davon, welcher Anteil der Masse-Energie freigesetzt werden kann.

Von den theoretisch möglichen Fusionsreaktionen verbinden sich 56 freie Nukleonen zu 56 Fe würde 9,1538 MeV pro Nukleon freisetzen. Kombination von 28 freien Protonen und 34 Neutronen zu 62 Ni würde eine etwas festere Bindung pro Nukleon ergeben . Dies scheint eine empirische Grenze für die Fusion darzustellen, die 0,00935605478 (Eisen) und 0,0096783439 (Nickel) der Kernmasse in Energie umwandelt. Diese Grenze scheint also zu sein ≈ 0,97 %. Im Vergleich dazu führt die Proton-Proton-Kette zu 4 Er hat einen Wirkungsgrad von 0,7 %.

Aber es könnte prinzipiell auch andere, unbekannte Fusionsformen geben. Die jüngste Entdeckung der Quark-Fusion ist etwa achtmal energiereicher als die normale Fusion, obwohl es sich um eine eher ungewöhnliche Form der Fusion handelt, da sie schwere Quarks beinhaltet. Wir können die Fusion verallgemeinern als den Prozess der Reorganisation bestehender Materie, um Energie freizusetzen, indem die Bindungsenergie aufgrund der starken Kraft erhöht wird (dies lässt die Gravitationsakkretion aus). Gäbe es drucklos stabile fremde Materie, würde sie vermutlich ein noch effizienteres Fusionsziel darstellen. Es scheint wahrscheinlich, dass eine Fusion, die eher die volle starke Kraft als die restliche starke Kraft beinhaltet, effizienter sein wird.

Gibt es angesichts dieser Überlegungen irgendwelche nichttrivialen theoretischen Obergrenzen dafür, wie effizient eine Fusionsreaktion sein kann?

Antworten (1)

Theoretische Grenzen wie bei der Effizienz thermodynamischer Maschinen sehe ich nicht. Die Grenze wird von dem kommen, was wir "Fusion" nennen und was wir stattdessen "andere Teilchenwechselwirkungen" nennen.

Ein Elektron und ein Antielektron, beides stabile Teilchen, können interagieren und „verschmelzen“ und werden zu reinen Photonen, sodass in diesem Beispiel die Fusionsreaktion Elektronen -> Photonen 100% effizient ist.

Ich werde "Fusion" eine Reaktion zwischen Partikeln nennen, die wir sammeln und ernten können, um dann positive Nettoenergie aus der Fusion zu erhalten. Wasserstoff, Deuterium und Tritium, wir können sie aus Wasser ernten und sie dann verschmelzen lassen, um mehr Energie freizusetzen. Anti-Elektron, nein, es gibt nicht viele freie Anti-Elektronen, die wir praktisch nutzen können. Ähnliches gilt für die "Quark-Fusion": Wir können sie vielleicht in Kollisionsexperimenten beobachten, aber wir sind nicht in der Lage, freie Quarks aus dem Ozean zu pflücken (es gibt einige, die sich verstecken, ich weiß!) und genug davon sammeln, um nützliche Energie zu erzeugen.

Es könnte einen Weg geben, den Zerfall von Protonen zu erzwingen, sodass wir den größten Teil ihrer Masse in Energie umwandeln können. Wie auch immer, ich werde es nicht Fusion nennen. Ist der Nickelkern wirklich die Architektur mit der niedrigsten Energie? Wir können fragen, ob ein Neutronenstern einmal eingefroren ist.

Wenn wir uns auf normale Atome beschränken, ist die effizienteste bekannte praktische Fusion die Herstellung von Helium aus Wasserstoffisotopen; Es gibt wahrscheinlich einige andere sehr instabile Isotope, die mehr Energie freisetzen können. In Kollisionsexperimenten können wir extrem instabile Isotope erzeugen, die viel Energie freisetzen, wenn sie zu stabileren Zuständen rekombinieren. Ist das Verschmelzung? Ja, aber keine praktische Energiequelle.

In praktischen Anwendungen mit stabilen Isotopen denke ich, dass der "Massenüberschuss" eines Isotops als Maß für die theoretisch maximal gewinnbare Energie angesehen werden kann. Ihre Berechnung, Nickel aus nackten Nukleonen zu gewinnen, ist wahrscheinlich die Spitze.

Zusammenfassung: Es gibt keine Obergrenze in der Anfangsenergie freier Teilchen, die wir kombinieren können. Untere Grenze (ohne Antimaterie) vielleicht das Proton und der Nickelkern. Vielleicht.

Beachten Sie, dass ich ausdrücklich über Energiegrenzen gesprochen habe, die durch erhöhte Bindung (pro Partikel) aufgrund der starken Kraft freigesetzt werden; Leptonvernichtung zählt nicht. Erntefähigkeit und Praktikabilität sind ebenfalls nebensächlich. Sie scheinen nur zu behaupten, dass es eine Grenze gibt - aber was wissen wir über diese Grenze?
Nun, wir wissen, dass Nickel empirisch am niedrigsten ist; und die semi-empirische Massenformel; Wir können einige ungefähre Berechnungen mit den Kernschalenmodellen anstellen. Wir können den Nickelkern heute nicht analytisch lösen, nicht einmal sicher über den viel einfacheren Heliumkern. Es ist noch kein stabiler Kern mit niedrigerer Energie herausgekommen. Vielleicht kann ein superschwerer Kern eine niedrigere Energie haben. Ich weiß nicht. Jeder gebundene Zustand mit niedrigerer Energie ist entweder ein größerer Kern, den wir nicht kennen, oder er muss eine Form von Protonenzerfall beinhalten. Wovon ich nichts weiß. Aus praktischen Gründen ist Nickel immer noch am Ende.
Obergrenze für die Energie einzelner Teilchen vor der Fusion, da bin ich mir sicher, dass es keine gibt, sie werden nur weniger stabil. Theoretisch gibt es also keine Obergrenze für die Effizienz der Fusion; Die Leptonvernichtung, ok, war ein bisschen extrem, aber ich denke, es zeigt einen Punkt
Jedenfalls fällt es mir schwer zu glauben, dass das bizarre Nickel die unterste Perfektion sein soll. Ich habe einmal versucht, das Kernschalenmodell zu studieren, und war erstaunt, wie wenig wir eigentlich wissen. Wir kennen nur einige grobe, praktische Annäherungen.
Der Link "Quark-Fusion" scheint in die obige Beschreibung zu passen, dass eine höhere Energie nur aufgrund der höheren Energie der ursprünglichen Bestandteile freigesetzt wird. Kein neuer niedrigerer Energiezustand.
Entschuldigung, letzte Zusammenfassung über die untere Energiegrenze der Umlagerung: Das Proton scheint das Hadron mit der niedrigsten Energie zu sein und scheint stabil zu sein. Warum, weil wir einen Zerfall nicht beobachtet haben und andere beobachtete Hadronen schwerer sind. Keine prinzipiellen theoretischen Gründe, sorry. Alle anderen Teilchen, die mit Strange Quarks beobachtet werden, sehen schwerer aus und zerfallen schnell. Nickel scheint stabil und die Hadronenkombination mit der niedrigsten Energie zu sein. Warum, weil wir es mit präzisen Waagen gewogen haben, und das scheint wirklich so zu sein. Einige halbtheoretische Motivationen dafür, wie "Drop"- und "Bag"-Modelle.
Moral: Wir wissen nichts über Grenzen außerhalb unserer Reichweite. Wir wissen viel über die praktischen Grenzen unserer Reichweite.
ok, ich werde den Antworttext mit den obigen Prahlereien bearbeiten
Was ist die theoretische Effizienz der Fusion?
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