Die Fusion zweier Kerne ist ein komplexer Prozess, der von vielen Faktoren beeinflusst wird. Zu diesen Faktoren gehören nicht nur die relative Energie und der Drehimpuls der beiden Kerne, sondern auch, wie sich ihre Strukturen bei der Kollision entwickeln. Der Ausgang der Kollisionen wird dramatisch von der Quantennatur der Kerne beeinflusst. Die beste Möglichkeit, die zugrunde liegende Komplexität zu bewältigen, besteht darin, die Entwicklung der Kerne bei der Kollision direkt zu simulieren, obwohl dies einen enormen Rechenaufwand darstellt.
In einer neuen Studie haben Forscher die bislang umfassendste Berechnung von Fusionsreaktionsprozessen durchgeführt. Die Studie nutzte Supercomputer, um Tausende zeitabhängige Simulationen durchzuführen.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Körperliche Überprüfung C.
Die Kernfusion, also die Verschmelzung zweier Kerne zu einem einzigen, ist für die Grundlagenforschung und als potenzielle kohlenstofffreie Energiequelle von Bedeutung. In dieser Studie gelang es den Forschern, die Fusion durch direkte Simulation des Reaktionsprozesses besser zu beschreiben. Die verbleibenden Unterschiede zwischen den Simulationsergebnissen und den gemessenen Fusionswahrscheinlichkeiten aus Experimenten deuten auf Phänomene hin, die durch aktuelle Theorien nicht erklärt werden können. Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Phänomene bei den Reaktionen kurzlebiger seltener Isotope in radioaktiven Strahlenanlagen der nächsten Generation häufiger auftreten.
In dieser Studie wurde die Wahrscheinlichkeit der Fusion von Sauerstoffisotopen mit Kohlenstoffkernen als Funktion der Energie gemessen. Die Forschung fand in den hochauflösenden experimentellen Daten ein bemerkenswertes nicht-gleichmäßiges, oszillierendes Verhalten hinsichtlich der Abhängigkeit der Fusionswahrscheinlichkeit von der Kollisionsenergie des Sauerstoff-Kohlenstoff-Systems. Durch die Kombination fortschrittlicher theoretischer Methoden, Hochleistungsrechnen und hochauflösender experimenteller Messungen bietet die Studie das bislang klarste Bild kollidierender komplexer Kerne.
Das verbesserte Modell von Kernkollisionen verspricht viel, um die Feinheiten der Kernfusion zu beschreiben. Die Untersuchung der gegenwärtigen Unterschiede zwischen Experiment und Theorie wird Einblicke in derzeit unerforschte Faktoren liefern, die den Fusionsprozess beeinflussen. Diese unerforschten Faktoren werden immer dringlicher, da Reaktionen von immer kurzlebigeren, seltenen Isotopen zu einem immer wichtigeren Forschungsgebiet in Einrichtungen wie der Facility for Rare Isotope Beams werden, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums der Michigan State University.
Mehr Informationen:
RT deSouza et al, Suche nach Signaturen jenseits des Mittelfelds in Schwerionenfusionsreaktionen, Körperliche Überprüfung C (2024). DOI: 10.1103/PhysRevC.109.L041601. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2309.15327