Het doorbreken van barrières in kernfusie: Hoe neutronmigratie alles kan veranderen

Kernfusiereacties bij lage energieën worden beïnvloed door nucleonmigratie en isospinsamenstellingen van kernen. Studies benadrukken de rol van kernvorm en isospindynamica bij het verlagen van de fusiebarrière, wat de kernfysica en energieoplossingen zou kunnen bevorderen. Credit: SciTechDaily.com

Kernfusiereacties bij lage energieën worden beïnvloed door de migratie van neutronen en protonen tussen fuserende kernen en hun isospinsamenstellingen. Onderzoek uitgevoerd met behulp van hoogwaardige computationele modellen heeft het belang van isospindynamica en kernvormen aangetoond, met name in asymmetrische, neutronenrijke systemen, met significante implicaties voor de kernfysica en potentiële energietoepassingen.

Kernfusiereacties bij lage energieën kunnen mogelijk schone energie leveren. In sterren zijn kernfusiereacties bij lage energieën tijdens de stadia van koolstof- en zuurstofverbranding cruciaal voor stellaire evolutie. Deze reacties bieden ook waardevolle inzichten in de exotische processen die plaatsvinden in de binnenste korst van neutronensterren wanneer ze materie accumuleren. Echter begrijpen wetenschappers nog niet volledig de onderliggende dynamica die deze reacties stuurt.

De sleutel tot het ontsluiten van het fusieproces is het begrijpen van hoe nucleonen bewegen tussen de twee fuserende kernen. Wanneer de kernen dicht genoeg bij elkaar komen voor de nucleaire krachten om effectief te worden, kunnen neutronen en protonen van de ene kern naar de andere migreren. Deze beweging vergemakkelijkt potentieel het fusieproces.

Met schaduwomtrekken van calcium-40 en ytterbium-176-kernen (40Ca+176Yb) terwijl ze botsen, leidend tot fusie, met nucleonenstromen voor neutronen in blauw en protonen in rood. De netto neutronenstroom is van 176Yb naar 40Ca en de protonenstroom is het tegenovergestelde. Credit: Sait Umar

Deze studie onderzocht de invloed van isospinsamenstelling op fusieprocessen bij lage energieën. Dit is een sleutelkernbegrip dat protonen onderscheidt van neutronen. De onderzoekers gebruikten computationele technieken en theoretische modellering om de fusie van verschillende kernen met verschillende isospinconfiguraties te onderzoeken. De resultaten tonen aan dat de isospinsamenstelling van de kernen in een fusiereactie een cruciale rol speelt in het begrijpen van de reactie.

De bevindingen bieden inzichten in de processen die lage-energiefusiereacties sturen. Dit zou het wetenschappelijk onderzoek naar astrofysische processen zoals nucleosynthese kunnen versterken, wat cruciaal is voor ons begrip van het universum als geheel.

In deze studie gebruikten onderzoekers van Fisk University en Vanderbilt University hoogwaardige computationele en theoretische modelleringstechnieken om een gedetailleerde studie van de veelmassa-methode uit te voeren over hoe de dynamiek van isospin nucleaire fusie bij lage energieën beïnvloedt over een reeks isotopen.

De studie onderzocht ook hoe de vorm van de betrokken kernen deze dynamiek beïnvloedt. In systemen waar de kernen niet symmetrisch zijn, wordt de dynamiek van isospin bijzonder belangrijk, wat vaak leidt tot een verlaagde fusiebarrière, vooral in systemen rijk aan neutronen. Dit fenomeen kan worden onderzocht met faciliteiten die gespecialiseerd zijn in de generatie van bundels bestaande uit exotische, onstabiele kernen.

De bevindingen bieden essentiële kennis over de fundamentele nucleaire processen die deze reacties sturen, wat brede implicaties heeft voor vakgebieden zoals kernfysica, astrofysica en, wellicht ooit, op kernfusie gebaseerde energie.

Referentie: “Rol van isospinsamenstelling in lage-energie-kernfusie” door Richard Gumbel, Christian Ross en A. S. Umar, 14 november 2023, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.108.L051602

Dit onderzoek werd ondersteund door het Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics.