Lexikon: Kernfusion

 

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Bild: D-t-fusion.png-Tritium Fusions-Reaktion wird als vielversprechende Reaktion für die Energieerzeugung in einem Kernfusionsreaktor angesehen.]]

Als Kernfusion wird der Prozess des Verschmelzens zweier Atomkern|Atomkerne zu einem schwereren Kern bezeichnet. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess freigesetzt oder aufgewendet. Die ist positiv, wenn das Fusionsprodukt eine von weniger als etwa 60 bis 80 hat, negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des s über das . In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein , ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energieerhaltung|Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist.

Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse (Physik)|Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen.

Die Kernfusion ist die Energiequelle der Stern|Sterne, etwa unserer . Die meisten Sterne fusionieren dabei von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium, die dafür nötige Temperatur liegt bei ca. 10 Millionen . Am Ende ihrer Lebenszeit, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, kommt die Energie aus der Fusion von Helium oder noch größerer Atome. Diese Fusion liefert weniger Energie und hat eine höhere Fusionstemperatur. Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch diese am Ende auch schwerere Elemente fusionieren.

Die Fusionstemperatur hängt unter anderem vom Druck ab. Da auf der Erde ein ähnlich starker Druck wie auf der Sonne nicht erzeugt werden kann, liegt hier die für die Wasserstofffusion nötige Temperatur bei etwa 100 Millionen Kelvin.

Nutzung auf der Erde

  • Im Labor zur Grundlagenforschung. Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers auf hohe Energien gebrachte Atomkerne auf ein Target geschossen, wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen kann.
  • In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima-Bombe eine Sprengkraft von bis zu 400 Kilotonnen TNT-Äquivalent|TNT haben, entfalten Kernfusionswaffen mehrere Megatonnen TNT. Da man noch keine kontrollierte Reaktion hervorrufen kann, wird im Innern einer H-Bombe eine Atombombe platziert, damit überhaupt eine so hohe Temperatur von 100 Millionen Kelvin erreichen kann. Diese wird dann gezündet, um die Kernfusion zu initieren.
  • Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors.
  • Zur geplanten zivilen Energie- und Stromerzeugung durch Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten ist hier das Projekt Joint European Torus (kurz JET), das für einige Sekunden ein Plasma (Physik)|Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen halten konnte, und dabei einige Megawatt produzierte. Ab 2015 soll voraussichtlich der internationale Versuchsreaktor ITER in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch nicht vor 2030 bis 2050 den Bau eines kommerziell verwendbaren Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche, Fusion ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas zu erzeugen, z. B. mittels kalte Fusion|kalter Fusion oder Bubble-Fusion.

Kalte Fusion und verwandte Verfahren

Der Versuch zur Bubblefusion konnte von unabhängiger Seite verifiziert werden: Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), Purdue University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und die Russian Academy of Science (RAS) gaben an, bisherige Versuche zur Bubble-Fusion repliziert und sogar erweitert zu haben (Quelle: R. P. Taleyarkhan: “Additional Evidence of Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation”. Phys. Rev. E 69, 036109, 2004).

Trotz allem ist die Realisierbarkeit dieser Art von Fusion, sowie die kalte Fusion allgemein, selbst unter Wissenschaftlern nach wie vor höchst umstritten. Für weitere Informationen und Weblinks siehe Kalte Fusion|kalte Fusion.

Eine "lauwarme" Kernfusion ist den Wissenschaftlern um Seth Putterman von der Universität von Kalifornien mit Lithiumtantalat, einem pyroelektrischem Kristall, gelungen. Das Verfahren tauge aber nicht zur Stomerzeugung, sondern ließe sich etwas überarbeitet recht simpel zur Produktion von hochenergetischen Neutronen nutzen, um Gepäckstücke an Flughäfen zu durchleuchten.

Reaktionen (Auswahl)

  • D + T → 4He + n + 17,588 MeV (größter Wirkungsquerschnitt)
  • D + D → 3He + n + 3,268 MeV
  • D + D → T + p + 4,03 MeV
  • 3He + D → 4He + p + 18,34 MeV


Es wird aber niemals Tritium als Endprodukt entstehen. In der Sonne findet u.a. folgende so genannte statt:

  1. p + p → D + e^+ + \nu_e + 0,42 MeV (langsamste, und damit begrenzende Reaktion)
    e^+ + e^- → 2\gamma (mit Energie E(2 \gamma) = 2 \cdot 511keV)
  2. D + p → 3He + \gamma + 5,49 MeV
  3. 3He + 3He → 4He + 2 p + \gamma + 12,86 MeV

In obigen Formeln steht D für Deuterium (schwerer Wasserstoff {}^2\rm H), T für Tritium (überschwerer Wasserstoff {}^3\rm H), 3He und 4He für die des s mit 1 bzw. 2 Neutronen, \gamma für Gammastrahlung|Gammaquant, e^- für , e^+ für Positron, \nu_e für Elektron-, n für und p für Proton. Die jeweils angegebenen Energien verteilen sich als Bewegungsenergie auf die Reaktionsprodukte.

Zudem findet in der Sonne ein Kohlenstoff-katalysierter Fusionszyklus statt, der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6% der Energie des Sonnenhaushalts ausmacht.

Weblinks

Siehe auch

  • ASDEX Upgrade
  • Lawson-Kriterium
  • ITER
  • Tokamak
  • Z-Maschine
  • Forschungsanlage in Greifswald, genannt Wendelstein 7-X


Kategorie:Plasmaphysik Kategorie:Kernphysik Kategorie:Kernenergie Kategorie:Astrophysikalischer Prozess


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