Proton-protoncyclus

Schematisch overzicht van de proton-proton-reactie.

De proton-proton-reactieketen is een van de twee belangrijke klassen kernfusiereacties in zwakkere sterren, zoals de zon. Bij de proton-proton-reactieketen worden in verschillende stappen vier waterstofkernen (protonen) omgezet in een helium-4-kern (alfadeeltje).

PPI-reactieketen

Eerst komen twee protonen samen en versmelten tot een deuteriumkern, onder uitstoting van een positron $e^{+}$ en een elektron-neutrino ${\nu }_e$. De deuteriumkern vangt nog een proton op en wordt daarbij omgezet in een helium-3-kern, onder uitzending van een foton (gammastraling). Twee helium-3-kernen fuseren uiteindelijk tot een helium-4-kern en twee protonen. De positronen worden samen met de elektronen geannihileerd onder uitzending van gammastraling (hoogenergetische fotonen ver buiten het spectrum van zichtbaar licht).

${}^{\mathrm{1}}{}_{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{+}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{\nu }}_{\mathrm{e}}\mathrm{+}\mathrm{0},\mathrm{4}\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}$

${}^{\mathrm{2}}{}_{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{+}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{3}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{\gamma }\mathrm{+}\mathrm{5},\mathrm{4}\mathrm{9}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}$

${}^{\mathrm{3}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{+}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{3}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{2}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{+}\mathrm{1}\mathrm{2},\mathrm{8}\mathrm{6}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}$

Bij dit proces komt in totaal een energie vrij van 24,68 MeV, ofwel 4 × 10⁻¹² joule.

De beschreven reacties worden samen ook wel de PPI-reactie genoemd (PP = proton-proton). Bij hogere temperaturen kunnen protonen ook nog via twee andere reacties worden omgezet in helium-4: PPII en PPIII.

PPII-reactieketen

Bij de PPII-reactie reageert de helium-3-kern die bij de PPI-cyclus werd gevormd, met een helium-4-kern tot beryllium-7 onder uitzending van een foton. Beryllium-7 is radioactief en vervalt na gemiddeld 54 dagen door elektronenvangst tot lithium-7. Die kern fuseert op zijn beurt met een proton tot beryllium-8, dat ogenblikkelijk uiteenvalt in twee helium-4-kernen.

${}^{\mathrm{3}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{+}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{7}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{\gamma }$

${}^{\mathrm{7}}{}_{\mathrm{4}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{-}}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{7}}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}{\overline{\mathrm{\nu }}}_{\mathrm{e}}\mathrm{+}\mathrm{0},\mathrm{8}\mathrm{6}\mathrm{1}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}/\mathrm{0},\mathrm{3}\mathrm{8}\mathrm{3}\mathrm{M}\mathrm{e}\mathrm{V}$

${}^{\mathrm{7}}{}_{\mathrm{3}}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{8}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{⟶}\mathrm{2}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}$

PPIII-reactieketen

De beryllium-7-kern die bij de PPII-reactie ontstond, kan ook met een proton fuseren tot boor-8, onder uitzending van een foton. Die kern valt na gemiddeld 0,8 seconden uiteen in twee helium-4-kernen, samen met een positron en een elektronneutrino:

${}^{\mathrm{3}}{}_{\mathrm{2}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{+}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{7}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}\mathrm{\gamma }$

${}^{\mathrm{7}}{}_{\mathrm{4}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}{}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{1}}\mathrm{H}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{5}}^{\mathrm{8}}\mathrm{B}\mathrm{+}\mathrm{\gamma }$

${}^{\mathrm{8}}{}_{\mathrm{5}}\mathrm{B}\mathrm{⟶}{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{8}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{+}{\mathrm{e}}^{\mathrm{+}}\mathrm{+}{\mathrm{\nu }}_{\mathrm{e}}$

${}^{\mathrm{8}}{}_{\mathrm{4}}\mathrm{B}\mathrm{e}\mathrm{⟶}\mathrm{2}{}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{4}}\mathrm{H}\mathrm{e}$

CNOF-cycli

Een heel ander mechanisme waarbij waterstof wordt omgezet in helium, is de koolstof-stikstof-reactieketen, die wegens zijn cyclische karakter ook wel CNO- of CNOF-cyclus wordt genoemd. Atoomkernen van koolstof, stikstof, zuurstof en fluor fungeren hier als intermediairen.

Terwijl voor een effectieve CNO-cyclus temperaturen van meer dan 20 miljoen graden nodig zijn werkt de proton-proton-reactieketen bij 15 miljoen graden. De proton-proton-reactieketen vindt plaats in sterren met een massa en temperatuur vergelijkbaar met die van de zon, alsook in lichtere sterren. In zwaardere sterren overheerst de CNO-cyclus.

Zie ook

• Triple-alfaproces