Att bryta barriärerna inom kärnfusion: Hur neutronmigration skulle kunna förändra allt

Kärnfusionsreaktioner vid låga energier påverkas av nukleonmigrering och isospinsammansättningar av kärnor. Studier belyser kärnformens och isospin-dynamikens roll för att sänka fusionsbarriären, vilket kan främja kärnfysik och energilösningar. Kredit: SciTechDaily.com

Kärnfusionsreaktioner med låg energi påverkas av migrationen av neutroner och protoner mellan fusionskärnor och deras isospinsammansättningar. Forskning utförd med hjälp av högpresterande beräkningsmodeller har visat vikten av isospindynamik och kärnformer, särskilt i asymmetriska, neutronrika system, vilket avslöjar betydande implikationer för kärnfysik och potentiella energitillämpningar.

Kärnfusionsreaktioner med låg energi kan potentiellt ge ren energi. I stjärnor är fusionsreaktioner med låg energi under stadierna av kol- och syreförbränning avgörande för stjärnutvecklingen. Dessa reaktioner ger också värdefulla insikter om de exotiska processer som sker i neutronstjärnornas inre skorpa när de ackumulerar materia. Men forskare förstår inte helt den underliggande dynamiken som styr dessa reaktioner.

Nyckeln till att låsa upp fusionsprocessen är att förstå hur nukleoner rör sig mellan de två fusionskärnorna. När kärnorna närmar sig tillräckligt för att kärnkrafterna ska bli effektiva, kan neutroner och protoner migrera från en kärna till en annan. Denna rörelse underlättar potentiellt fusionsprocessen.

Skuggade konturer av kalcium-40 och ytterbium-176 kärnor (40Ca+176Yb) när de kolliderar, vilket leder till fusion, med nukleonströmmar för neutroner i blått och protoner i rött. Netto neutronflödet är från 176Yb till 40Ca och protonflödet är det motsatta. Kredit: Sait Umar

Denna studie undersökte påverkan på lågenergifusionsprocesser av isospinsammansättning. Detta är en nyckelegenskap som skiljer protoner från neutroner. Forskarna använde beräkningsteknik och teoretisk modellering för att undersöka fusionen av olika kärnor med olika isospin-konfigurationer. Resultaten visar att isospinsammansättningen av kärnorna i en fusionsreaktion spelar en avgörande roll för att förstå reaktionen.

Resultaten ger insikter i de processer som styr lågenergifusionsreaktioner. Detta skulle kunna förbättra vetenskaplig forskning om astrofysiska processer som nukleosyntes, vilket är avgörande för vår förståelse av universum som helhet.

I den här studien använde forskare vid Fisk University och Vanderbilt University högpresterande beräkningstekniker och teoretiska modelleringstekniker för att genomföra en detaljerad studie av många kroppsmetoder av hur dynamiken hos isospin påverkar kärnfusion vid låga energier över en serie isotoper.

Studien undersökte också hur formen på de involverade kärnorna påverkar denna dynamik. I system där kärnorna inte är symmetriska blir dynamiken i isospin särskilt viktig, vilket ofta leder till en sänkt fusionsbarriär, särskilt i system rika på neutroner. Detta fenomen kan utforskas med hjälp av anläggningar som är specialiserade på generering av strålar sammansatta av exotiska, instabila kärnor.

Fynden ger kritisk kunskap om de grundläggande kärnprocesserna som styr dessa reaktioner, vilka har breda konsekvenser för områden som kärnfysik, astrofysik och, kanske en dag, fusionsbaserad energi.

Referens: "Role of isospin composite in low-energy nuclear fusion" av Richard Gumbel, Christian Ross och A. S. Umar, 14 november 2023, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.108.L051602

Denna forskning stöddes av Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics.