Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der sich zwei Kerne leichter Atome zu einem schwereren Kern verbinden. Die verwendeten Atome sind Wasserstoffisotope ( Deuterium und Tritium). Bei der Verschmelzung zweier Atome wird die Zusammensetzung der Kernkraft der Kerne verändert und eine große Energiemenge in Form von Gammastrahlen und auch als kinetische Energie der emittierten Teilchen freigesetzt oder absorbiert.
Die abgegebene Energie ist so groß, dass Materie in einen Plasmazustand übergehen kann.
Kernfusionsreaktionen können Energie abgeben oder aufnehmen. Wenn die zu verschmelzenden Kerne weniger Masse als Eisen haben, wird Energie freigesetzt. Sind umgekehrt die verschmelzenden Atomkerne schwerer als Eisen, nimmt die Kernreaktion Energie auf.
Derzeit ist es noch nicht gelungen, einen Fusionsreaktor zu bauen, der elektrische Energie erzeugen kann. Allerdings wird derzeit an mehreren Projekten gearbeitet – wie etwa dem ITER-Projekt in Südfrankreich – mit dem Ziel, saubere Energie durch Fusionsenergie zu erzeugen.
Beispiel für Kernfusion: die Sonne
Die von der Sonne freigesetzte Energie erreicht die Erde in Form von elektromagnetischer Strahlung.
Im Inneren der Sonne beträgt die Temperatur fast 15 Millionen Grad Celsius.
Was wird benötigt, um eine Kernfusionsreaktion zu erhalten?
Zur Durchführung von Kernfusionsreaktionen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
Erreichen Sie eine sehr hohe Temperatur, um die Elektronen vom Kern zu trennen und näher an einen anderen zu bringen, wodurch die elektrostatischen Abstoßungskräfte überwunden werden. Die gasförmige Masse aus freien Elektronen und hochionisierten Atomen wird als Plasma bezeichnet.
Ein Einschluss ist notwendig, um das Plasma für eine minimale Zeitspanne auf einer erhöhten Temperatur zu halten.
Die Dichte des Plasmas muss ausreichend sein, damit die Kerne nahe beieinander liegen und Kernfusionsreaktionen auslösen können.
Einschluss für die Kernfusion
Herkömmliche Einschlüsse, die in Kernspaltungsreaktoren verwendet werden, sind aufgrund der hohen Plasmatemperaturen, denen sie standhalten müssen, nicht möglich. Aus diesem Grund wurden zwei wichtige Einschlussmethoden entwickelt:
Kernfusion durch Trägheitseinschluss (FCI): Es besteht darin, ein Medium zu schaffen, das so dicht ist, dass die Teilchen fast keine Chance haben, zu entkommen, ohne miteinander zu kollidieren.
Kernfusion durch magnetischen Einschluss (FCM): Die elektrisch geladenen Teilchen des Plasmas werden durch die Einwirkung eines Magnetfelds in einem reduzierten Raum eingefangen. Das am weitesten entwickelte Gerät hat eine toroidale Form und heißt Tokamak.
Wie funktioniert Kernfusion? Kernfusionsreaktionen
Die atomaren Elemente, die normalerweise in Kernfusionsreaktionen verwendet werden, sind Wasserstoff und seine Isotope: Deuterium (D) und Tritium (T). Die wichtigsten Fusionsreaktionen sind:
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Durch die Fusion eines Deuteriumkerns mit einem Tritiumkern entsteht ein Heliumkern, der aus zwei Neutronen und zwei Protonen besteht und 1 Neutron und 17,6 MeV Energie freisetzt.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Durch die Verschmelzung zweier Deuteriumkerne entsteht ein Heliumkern aus einem Neutron und zwei Protonen, der ein Neutron und 3,2 MeV Energie freisetzt.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Durch die Verschmelzung von zwei Deuteriumkernen werden ein Tritiumkern, ein Proton und 4,03 MeV Energie erhalten.
Damit diese Reaktionen stattfinden können, müssen die Kerne mit der notwendigen kinetischen Energie versorgt werden, um die zu verschmelzenden Kerne zusammenzubringen und so die elektrostatischen Abstoßungskräfte zu überwinden. Dazu muss das Gas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, wie sie etwa im Zentrum von Sternen auftreten sollen.
Das Erfordernis jedes Kernfusionsreaktors besteht darin, das Plasma bei einer ausreichend hohen Temperatur und Dichte und für gerade genügend Zeit einzuschließen, um genügend Kernfusionsreaktionen zuzulassen, die verhindern, dass Partikel entweichen, um einen Nettogewinn an Energie zu erzielen.
Dieser Energiegewinn hängt davon ab, dass die zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas benötigte Energie geringer ist als die Energie, die durch Kernfusionsreaktionen freigesetzt wird. Aus jedem Milligramm Deuterium-Tritium können im Prinzip 335 MJ gewonnen werden.
Was ist der Brennstoff der Kernfusion?
Für Kernfusionsreaktionen werden leichte Kerne benötigt. Grundsätzlich werden Deuterium und Tritium verwendet, die zwei Isotope von Wasserstoff (dem leichtesten Element im Periodensystem) sind.
1. Deuterium
Deuterium ist ein stabiles Wasserstoffisotop, das aus einem Proton und einem Neutron besteht. Seine Häufigkeit in Wasser beträgt ein Atom pro 6.500 Wasserstoffatome. Das bedeutet, dass im Meerwasser eine Konzentration von 34 Gramm Deuterium pro Kubikmeter Wasser vorliegt.
Der Energiegehalt von Deuterium ist so hoch, dass die Energie, die aus Deuterium in einem Liter Meerwasser gewonnen werden kann, der Energie entspricht, die aus 250 Litern Öl gewonnen werden kann.
In Anbetracht des Reichtums an Deuterium in den Ozeanen kann diese Energiequelle als erneuerbar angesehen werden.
2. Tritium
Das andere bei der Kernfusion verwendete Element, Tritium, ist das instabile oder radioaktiveIsotop des Wasserstoffatoms. Es besteht aus einem Proton und zwei Neutronen und zerfällt relativ schnell durch Beta-Emission.
Obwohl Tritium in der Natur selten vorkommt, kann es durch Neutroneneinfangreaktionen mit Lithiumisotopen erzeugt werden. Lithium ist in der Erdkruste und im Meerwasser reichlich vorhanden.
Forschungsprojekt Kernfusion
Das am weitesten fortgeschrittene Projekt in der Kernfusion durch magnetischen Einschluss ist der ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ein Prototyp, der auf dem Tokamak-Reaktorkonzept basiert und in dem eine Zündung erreicht werden soll.
Aufgrund der guten Ergebnisse im Joint European Torus (JET) wurde 1990 beschlossen, das Fusionsprogramm mit einer größeren Anlage fortzusetzen, in der neben dem Reaktor auch dessen Hilfssysteme ohne Stromerzeugung getestet werden konnten. An diesem Projekt beteiligen sich die Europäische Union, Kanada, die USA, Japan und Russland.
Ziel ist es, die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Kernfusion durch magnetischen Einschluss zur Stromerzeugung als Vorstufe zum Bau einer kommerziellen Demonstrationsanlage zu bestimmen.
In der ITER-Maschine wird keine elektrische Energie erzeugt, es werden Lösungen für die Probleme getestet, die gelöst werden müssen, um zukünftige Kernfusionsreaktoren rentabel zu machen.
