Wie kann Kernfusion Energie freisetzen (sogar im Prinzip)?

Nach dem Lesen eines Kommentars von @Stian Yttervik zu einer der Antworten in dieser Frage , die wie lautet

Ich würde hinzufügen, dass in beiden Fällen die resultierenden Produkte insgesamt leichter sind als ihre Reaktanten - und das ist der ganze Trick daran. E = M C 2

"beide Fälle" waren in diesem Zusammenhang Spaltung und Fusion.


Unten ist ein Teil von Seite 196/197 von A-Level "Physics 2 for OCR" von David Sang und Gurinder Chadha, Cambridge University Press, erstmals veröffentlicht 2009:

Physik 2

Der wichtigste Punkt, den ich daraus gezogen habe, ist, dass, wenn die Masse der Produkte größer als die Masse der Reaktanten ist, Energie aufgenommen wird. Wenn umgekehrt die Masse der Produkte kleiner als die Masse der Reaktanten ist, wird Energie abgegeben (freigesetzte Bindungsenergie). ), oder kompakter, Energie wird aus einem System freigesetzt, wenn seine Masse abnimmt: wie unten links in diesem Bild geschrieben.


Jetzt im zweiten Jahr an der Universität im Studium der Kernphysik stellt mein Dozent folgendes Gedankenexperiment auf:

Angenommen, wir haben 2 Punktladungen mit Masse, M , und laden, Q , dann die Energie des Systems, E S , wird von gegeben

E S = 2 M + v

wie Gebühren

Wenn beide Ladungen das gleiche Vorzeichen haben, dann ist die elektrostatische potentielle Energie v > 0 , und die Masse des Systems, M S wird sein M S > 2 M . Das liegt daran, dass ich Energie zuführen muss, um die Ladungen näher zusammenzubringen, dies erhöht die Masse des Systems, M S , seit E S = M S C 2 . Diese Massenzunahme manifestiert sich als im elektrischen Feld gespeicherte Energie, die ein „Gewicht“ hat (so wird mir zumindest gesagt).

unähnliche Gebühren

Wenn die Ladungen entgegengesetzte Vorzeichen haben, dann ist die elektrostatische potentielle Energie, v < 0 und die Masse des Systems, M S wird sein M S < 2 M , Dies liegt daran, dass ich, wenn ich die Ladungen "langsam" (und ohne Beschleunigung) zusammenkommen lasse, Energie aus der elektrostatischen potentiellen Energie entziehe, wenn sich die Ladungen näher zusammenbewegen, dies verringert die Masse des Systems, M S , seit E S = M S C 2 . Ich habe dem elektrischen Feld „Masse abgenommen“, indem ich die Ladungen auf einen geringeren Abstand voneinander bewegen ließ.


Betrachten wir nun den ersten Fall, in dem wir 2 positive Ladungen haben, und nehmen wir an, dass dies der Fall istDeuterium und Tritium

die Reaktanden sind Deuterium und Tritium jeweils mit Ladung + e aber unterschiedliche Masse.

Nun, von oben haben wir das M S > M , was hier der Fall ist, da die beiden Ladungen das gleiche Vorzeichen haben ( + e ). Das bedeutet also, dass es (auch im Prinzip) unmöglich ist, Energie aus der Kernfusion freizusetzen, da die Endmasse größer ist und dies erfordert, dass Energie an das System übertragen wird, um die Reaktion zu ermöglichen.


Aber natürlich weiß ich, dass das nicht stimmt, es passiert schließlich ständig in der Sonne. Meine Frage lautet also: Wie kann die Kernfusion Energie freisetzen, wenn die Endmasse schwerer ist als ihre Reaktanten?


Übrigens ist dies kein Duplikat, da ich dies , dies , dies , dies , dies und dies bereits gelesen habe , aber sie beantworten meine Frage hier immer noch nicht.

Antworten (1)

Sie scheinen nur die elektromagnetische Kraft zu berücksichtigen, während Sie die starke Kernkraft ignorieren, die viel stärker ist (wenn dies nicht der Fall wäre, würden die Kerne aufgrund der Coulomb-Abstoßung einfach auseinanderfliegen) und auch attraktiv . Es stimmt, dass das Zusammenschieben zweier positiver Kerne die Gesamtmasse des Zwei-Nukleonen-Systems für relativ große Abstände erhöht. Die starke Kernkraft ist zwar ziemlich stark (daher der Name), aber auch sehr kurzreichweitig und wird erst wichtig, wenn die Kerne etwa ein paar Femtometer voneinander entfernt sind. Aber sobald Sie in der Lage sind, zwei Kerne so stark zu drücken, dass sie ein paar Femtometer voneinander entfernt sind, wird die Nettokraft anziehend und die Kerne schlagen zusammen und setzen ziemlich viel Energie frei, während die starke Kernkraft die Nukleonen in a umordnet viel stabiler, weniger massive Konfiguration.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die elektromagnetische Abstoßung eine „Coulomb-Barriere“ erzeugt, die eine ziemlich große Menge an Energie erfordert, um sie zu überwinden, aber sobald Sie die Kerne mit genügend kinetischer Energie durchdrungen haben, um die Coulomb-Barriere* zu überwinden, setzt die Fusion viel mehr Energie frei als die Menge an Energie, die Sie einsetzen, einfach weil in dem Fall, von dem Sie sprechen, der resultierende Kern aufgrund des Einflusses der starken Kernkraft viel stabiler ist als die beiden Reaktanten.


*Wenn Ihr Plasma eine extrem hohe Dichte hat und Ihnen eine ziemlich niedrige Ausgangsleistung nichts ausmacht, müssen Sie nicht unbedingt genug kinetische Energie haben, um die Coulomb-Barriere zu überwinden. Stattdessen braucht man nur genug Energie, um Quantentunneln durch die Coulomb-Barriere einigermaßen wahrscheinlich zu machen. Tatsächlich geschieht der größte Teil der Proton-Proton-Fusion im Kern der Sonne auf diese Weise - die Leistungsabgabe der Sonne ist ziemlich viel höher, als wir aufgrund der Anzahl der Protonen erwarten würden, die klassischerweise die Coulomb-Barriere überwinden könnten.

Ich danke Ihnen sehr für Ihre Antwort.