Durchbruch in der Kernfusion: Wie die Neutronenwanderung alles verändern könnte.

Kernfusionsreaktionen bei niedrigen Energien werden durch die Nukleonenmigration und die Isospinzusammensetzungen der Kerne beeinflusst. Studien unterstreichen die Rolle der Kernform und der Isospindynamik bei der Senkung der Fusionsbarriere, was die Kernphysik und Energielösungen voranbringen könnte. Quelle: SciTechDaily.com

Kernfusionsreaktionen bei niedrigen Energien werden durch die Migration von Neutronen und Protonen zwischen fusionierenden Kernen und deren Isospinzusammensetzungen beeinflusst. Forschungen, die mit Hochleistungs-Computermodellen durchgeführt wurden, haben die Bedeutung der Isospindynamik und der Kernformen, insbesondere in asymmetrischen, neutronenreichen Systemen, gezeigt und erhebliche Auswirkungen auf die Kernphysik und potenzielle Energieanwendungen aufgezeigt.

Kernfusionsreaktionen bei niedrigen Energien können möglicherweise saubere Energie liefern. In Sternen sind Fusionsreaktionen bei niedrigen Energien während der Phasen der Kohlenstoff- und Sauerstoffverbrennung entscheidend für die Sternentwicklung. Diese Reaktionen bieten auch wertvolle Einblicke in die exotischen Prozesse, die in der inneren Kruste von Neutronensternen auftreten, wenn diese Materie ansammeln. Wissenschaftler verstehen die zugrunde liegende Dynamik, die diese Reaktionen steuert, jedoch nicht vollständig.

Der Schlüssel zum Verständnis des Fusionsprozesses liegt darin, zu verstehen, wie sich Nukleonen zwischen den beiden verschmelzenden Kernen bewegen. Wenn sich die Kerne nahe genug kommen, damit die Kernkräfte wirksam werden, können Neutronen und Protonen von einem Kern zum anderen wandern. Diese Bewegung erleichtert möglicherweise den Fusionsprozess.

Schattierte Umrisse von Calcium-40- und Ytterbium-176-Kernen (40Ca+176Yb) bei ihrer Kollision, die zur Fusion führt, mit Nukleonenströmen für Neutronen in Blau und Protonen in Rot. Der Netto-Neutronenfluss geht von 176Yb zu 40Ca und der Protonenfluss ist umgekehrt. Bildnachweis: Sait Umar

Diese Studie untersuchte den Einfluss der Isospin-Zusammensetzung auf Fusionsprozesse mit niedriger Energie. Dies ist eine wichtige Kerneigenschaft, die Protonen von Neutronen unterscheidet. Die Forscher verwendeten Computertechniken und theoretische Modellierung, um die Fusion verschiedener Kerne mit unterschiedlichen Isospin-Konfigurationen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Isospin-Zusammensetzung der Kerne in einer Fusionsreaktion eine entscheidende Rolle für das Verständnis der Reaktion spielt.

Die Erkenntnisse liefern Einblicke in die Prozesse, die Fusionsreaktionen bei niedriger Energie steuern. Dies könnte die wissenschaftliche Forschung zu astrophysikalischen Prozessen wie der Nukleosynthese verbessern, die für unser Verständnis des Universums als Ganzes von entscheidender Bedeutung ist.

In dieser Studie verwendeten Forscher der Fisk University und der Vanderbilt University leistungsstarke rechnerische und theoretische Modellierungstechniken, um eine detaillierte Vielteilchenmethode-Studie darüber durchzuführen, wie die Dynamik des Isospins die Kernfusion bei niedriger Energie über eine Reihe von Isotopen hinweg beeinflusst.

Die Studie untersuchte auch, wie die Form der beteiligten Kerne diese Dynamik beeinflusst. In Systemen, in denen die Kerne nicht symmetrisch sind, wird die Dynamik des Isospins besonders wichtig, was oft zu einer niedrigeren Fusionsbarriere führt, insbesondere in Systemen, die reich an Neutronen sind. Dieses Phänomen kann mit Einrichtungen untersucht werden, die auf die Erzeugung von Strahlen aus exotischen, instabilen Kernen spezialisiert sind.

Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden nuklearen Prozesse, die diese Reaktionen steuern, und haben weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Kernphysik, Astrophysik und vielleicht eines Tages auch auf Fusionsenergie.

Referenz: „Role of isospin composition in low-energy nuclear fusion“ von Richard Gumbel, Christian Ross und A. S. Umar, 14. November 2023, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.108.L051602

Diese Forschung wurde vom Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics unterstützt.