Przełamywanie barier w fuzji jądrowej: jak migracja neutronów może wszystko zmienić

Reakcje fuzji jądrowej przy niskich energiach są dotknięte migracją nukleonów i składem izospinów jąder. Badania podkreślają rolę kształtu jądrowego i dynamiki izospinu w obniżaniu bariery fuzji, co może przyczynić się do postępu w fizyce jądrowej i rozwiązań energetycznych. Kredyt: SciTechDaily.com

Niskie reakcje fuzji jądrowej na niskich energiach są wpływane przez migrację neutronów i protonów między łączącymi się jądrami oraz ich składem izospinów. Badania prowadzone przy użyciu zaawansowanych modeli obliczeniowych wykazały znaczenie dynamiki izospinu i kształtu jądrowego, szczególnie w asymetrycznych, bogatych w neutrony systemach, ujawniając istotne implikacje dla fizyki jądrowej i potencjalnych zastosowań energetycznych.

Niskie reakcje fuzji jądrowej na niskich energiach mogą potencjalnie dostarczać czystej energii. W gwiazdach niskie reakcje fuzji jądrowej podczas procesów spalania węgla i tlenu są kluczowe dla ewolucji gwiazdowej. Te reakcje również oferują cenne spostrzeżenia na temat egzotycznych procesów zachodzących w wewnętrznej skorupie gwiazd neutronowych, gdy zdobywają one materię. Jednak naukowcy nie do końca rozumieją przewidującą te reakcje dynamikę.

Kluczem do odblokowania procesu fuzji jest zrozumienie, jak nukleony poruszają się między dwoma łączącymi się jądrami. Gdy jądra zbliżają się wystarczająco blisko, aby siły jądrowe stały się skuteczne, neutrony i protony mogą migrować z jednego jądra do drugiego. Ten ruch potencjalnie ułatwia proces fuzji.

Cieniowane kontury jąderek wapnia-40 i itrobu-176 (40Ca+176Yb) w czasie kolizji, prowadzącej do fuzji, z obecnymi prądami nukleonów dla neutronów w kolorze niebieskim i protonów w kolorze czerwonym. Netto przepływ neutronów jest z 176Yb do 40Ca, a przepływ protonów jest odwrotny. Kredyt: Sait Umar

Badanie to bada wpływ składu izospinu na procesy fuzji o niskich energiach. Jest to kluczowa właściwość jądrowa, która różnicuje protony od neutronów. Badacze wykorzystali techniki obliczeniowe i modelowanie teoretyczne, aby zbadać fuzję różnych jąder o zróżnicowanych konfiguracjach izospinów. Wyniki pokazują, że skład izospinu jąder w reakcji fuzji odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu reakcji.

Wnioski zapewniają wgląd w procesy rządzące niskimi reakcjami fuzji jądrowej. Może to zwiększyć badania naukowe nad procesami astrofizycznymi, takimi jak nukleosynteza, która jest kluczowa dla naszego zrozumienia wszechświata jako całości.

W tym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Fiska i Uniwersytetu Vanderbilt wykorzystali techniki obliczeniowe o dużej wydajności i modelowanie teoretyczne do przeprowadzenia szczegółowej analizy wielociałowej metody, która bada, w jaki sposób dynamika izospinu wpływa na fuzję jądrową o niskich energiach w serii izotopów.

Badanie miało także na celu zbadanie, jak kształt jąder wpływa na te dynamiki. W systemach, gdzie jądra nie są symetryczne, dynamika izospinu staje się szczególnie ważna, co często prowadzi do obniżenia bariery fuzji, zwłaszcza w systemach bogatych w neutrony. To zjawisko można badać przy użyciu obiektów specjalizujących się w generowaniu wiązek złożonych z egzotycznych, niestabilnych jąder.

Wnioski dostarczają istotnej wiedzy na temat podstawowych procesów jądrowych rządzących tymi reakcjami, które mają szerokie implikacje dla dziedzin takich jak fizyka jądrowa, astrofizyka i być może, w przyszłości, energia oparta na fuzji.

Źródło: "Rola składu izospinu w niskiej reakcji fuzji jądrowej" autorstwa Richarda Gumbela, Christiana Rossa i A. S. Umara, 14 listopada 2023 roku, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.108.L051602

To badanie zostało wsparte przez Departament Energii, Biuro Nauki, Biuro Fizyki Jądrowej.