Bei der Kernfusion handelt es sich um eine Kernreaktion, bei der sich zwei leichte Atomkerne zu einem weiteren, schwereren Atomkern verbinden. Bei den verwendeten Atomen handelt es sich um Isotope des Wasserstoffs (Deuterium und Tritium). Bei der Fusion werden die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den Kernen überwunden und durch die Bildung eines stabileren Kerns wird Energie freigesetzt, was mit den starken Kernkräften zusammenhängt, die die Kerne zusammenhalten.
Die abgegebene Energie ist so groß, dass Materie in einen Plasmazustand übergehen kann.
Kernfusionsreaktionen können Energie abgeben oder absorbieren. Besitzen die zu verschmelzenden Atomkerne eine geringere Masse als Eisen, wird Energie freigesetzt. Sind die verschmelzenden Atomkerne hingegen schwerer als Eisen, absorbiert die Kernreaktion Energie. Dieses Prinzip leitet sich aus der Kernbindungskurve ab. Energie wird freigesetzt, wenn das Reaktionsprodukt stabiler ist (höhere Bindungsenergie pro Nukleon), und dies tritt bei Kernen auf, die leichter als Eisen sind.
Bis heute wurde noch kein Fusionsreaktor gebaut, der in der Lage wäre, kontinuierlich und kostengünstig elektrische Energie zu erzeugen. Alle aktuellen Projekte, wie beispielsweise ITER, sind experimenteller Natur. Derzeit laufen jedoch mehrere Projekte – wie beispielsweise das ITER-Projekt in Südfrankreich – mit dem Ziel, durch Fusion saubere Energie zu erzeugen.
Beispiele für Kernfusion: die Sonne
Beispiele für Kernfusion finden sich in zahlreichen Situationen, sowohl in der Natur als auch in vom Menschen gesteuerten Anwendungen. Einige Beispiele sind:
- Fusion in der Sonne: Die Hauptenergiequelle der Sonne ist die Kernfusion. In seinem Kern verbinden sich Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei enorme Energiemengen in Form von Licht und Wärme frei.
- Wasserstoffbombe: Wasserstoffbomben, auch als thermonukleare Bomben bekannt, nutzen die Kernfusion, um extrem starke Explosionen zu erzeugen. Bei diesen Bomben wird durch die Fusion von Wasserstoffkernen zu Helium und anderen schweren Elementen explosive Energie freigesetzt.
- Experimentelle Fusionsreaktoren: Experimentelle Fusionsreaktoren wie der Tokamak und der Stellarator wurden gebaut, um die kontrollierte Kernfusion als Energiequelle zu erforschen und zu entwickeln. Diese Geräte schaffen Bedingungen, die denen im Kern der Sonne ähneln, um eine Fusion zu erreichen.
Voraussetzungen einer Fusionsreaktion
Zur Durchführung von Kernfusionsreaktionen müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
- Durch das Erreichen einer sehr hohen Temperatur werden die Elektronen vom Kern getrennt und näher an einen anderen Kern gebracht, wobei die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung überwunden werden. Die aus freien Elektronen und hochionisierten Atomen bestehende gasförmige Masse wird als Plasma bezeichnet.
- Der Einschluss ist notwendig, um das Plasma für eine minimale Zeit auf einer hohen Temperatur zu halten.
- Die Dichte des Plasmas muss ausreichend sein, damit die Kerne nahe beieinander liegen und Kernfusionsreaktionen auslösen können.
Einschluss für die Kernfusion
Die in Kernspaltungsreaktoren verwendeten konventionellen Einschlüsse sind aufgrund der hohen Plasmatemperaturen, denen sie standhalten müssen, nicht möglich. Aus diesem Grund wurden zwei wichtige Einschlussmethoden entwickelt:
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Trägheitsfusion (ICF): Dabei wird ein Medium erzeugt, das so dicht ist, dass die Teilchen kaum eine Chance haben, zu entkommen, ohne miteinander zu kollidieren.
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Magnetische Fusion (MCF): Elektrisch geladene Plasmateilchen werden durch die Einwirkung eines Magnetfelds in einem begrenzten Raum gefangen. Das am weitesten entwickelte Gerät hat eine toroidale Form und wird Tokamak genannt.
Funktionsweise: Fusionsreaktionen
Die in Kernfusionsreaktionen normalerweise verwendeten Atomelemente 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 Helium-4-Kern (mit 2 Protonen und 2 Neutronen) und ein freies Neutron wird zusammen mit 17,6 MeV Energie freigesetzt.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Durch die Fusion zweier Deuteriumkerne entsteht ein Heliumkern, der aus einem Neutron und zwei Protonen besteht. Dabei werden ein Neutron und 3,2 MeV Energie freigesetzt.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Durch die Fusion zweier Deuteriumkerne werden ein Tritiumkern, ein Proton und 4,03 MeV Energie gewonnen.
Damit diese Reaktionen stattfinden können, muss den Kernen die nötige kinetische Energie zugeführt werden, um die zu verschmelzenden Kerne näher zusammenzubringen und so die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung zu überwinden. Dazu muss das Gas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, wie sie vermutlich im Zentrum von Sternen vorkommen.
Die Anforderung an jeden Kernfusionsreaktor besteht darin, ein solches Plasma bei ausreichend hoher Temperatur und Dichte für genau die richtige Zeitspanne einzuschließen, um ausreichende Kernfusionsreaktionen zu ermöglichen und gleichzeitig das Entweichen von Partikeln zu verhindern, um einen Nettoenergiegewinn zu erzielen.
Dieser Energiegewinn hängt davon ab, dass die zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas benötigte Energie geringer ist als die bei Kernfusionsreaktionen freigesetzte Energie. Aus jedem Milligramm Deuterium-Tritium lassen sich prinzipiell 335 MJ gewinnen. Allerdings muss dabei berücksichtigt werden, dass der tatsächliche Wirkungsgrad des Systems geringer ist und nicht die gesamte Energie sinnvoll zurückgewonnen werden kann.
Kernbrennstoff für die Fusion
Für Kernfusionsreaktionen werden leichte Kerne benötigt. Grundsätzlich werden Deuterium und Tritium verwendet, zwei Isotope von Wasserstoff (dem leichtesten Element im Periodensystem).
1. Deuterium
Deuterium ist ein stabiles Isotop von Wasserstoff, das aus einem Proton und einem Neutron besteht. Sein Vorkommen im Wasser beträgt ein Atom pro 6.500 Wasserstoffatome. Dies bedeutet, dass Meerwasser eine Konzentration von 34 Gramm Deuterium pro Kubikmeter Wasser aufweist.
Der Energiegehalt von Deuterium ist so hoch, dass die Energie, die aus dem Deuterium in einem Liter Meerwasser gewonnen werden kann, der Energie entspricht, die aus 250 Litern Öl gewonnen werden kann.
Angesichts der Fülle an Deuterium in den Ozeanen kann diese Energiequelle als praktisch unerschöpflich und nachhaltig angesehen werden.
2. Tritium
Das andere bei der Kernfusion verwendete Element, Tritium, ist das instabile oder radioaktive Isotop 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 kommt in der Erdkruste und im Meerwasser häufig vor.
Forschungsprojekt zur Kernfusion
Das fortschrittlichste Projekt zur Kernfusion mit magnetischem Einschluss ist ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ein Prototyp auf Grundlage des Tokamak-Reaktorkonzepts, bei dem eine Zündung erwartet wird.
Aufgrund der positiven Ergebnisse des Joint European Torus (JET) wurde 1990 beschlossen, das Fusionsprogramm mit einer größeren Anlage fortzusetzen, in der neben dem Reaktor auch dessen Hilfssysteme getestet werden konnten, ohne dass bereits Strom erzeugt wurde. An diesem Projekt beteiligen sich die Europäische Union, Kanada, die USA, Japan und Russland.
Ziel ist es, die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der magnetischen Kernfusion zur Stromerzeugung als Vorphase für den Bau einer kommerziellen Demonstrationsanlage zu ermitteln.
Die ITER-Maschine wird keine elektrische Energie erzeugen; Stattdessen werden Lösungen für Probleme getestet, die gelöst werden müssen, um zukünftige Kernfusionsreaktoren rentabel zu machen.