Kernfusion ist eine Kernreaktion, bei der sich zwei Kerne leichter Atome zu einem weiteren schwereren Kern verbinden. Die verwendeten Atome sind Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium). Bei der Verschmelzung zweier Atome verändert sich die Zusammensetzung der Kernkraft der Kerne und es wird eine große Energiemenge in Form von Gammastrahlen freigesetzt bzw. absorbiert sowie die kinetische Energie der emittierten Teilchen.
Die abgegebene Energie ist so groß, dass Materie in einen Plasmazustand übergehen kann.
Kernfusionsreaktionen können Energie abgeben oder absorbieren. Wenn die Kerne, die verschmelzen sollen, eine geringere Masse als Eisen haben, wird Energie freigesetzt. Sind die verschmelzenden Atomkerne hingegen schwerer als Eisen, nimmt die Kernreaktion Energie auf.
Derzeit ist es noch nicht möglich, einen Fusionsreaktor zu bauen, der elektrische Energie erzeugen kann. Allerdings wird derzeit an mehreren Projekten gearbeitet – wie zum Beispiel dem ITER-Projekt in Südfrankreich – mit dem Ziel, saubere Energie durch Fusionsenergie zu erzeugen.
Beispiele für Kernfusion: die Sonne
Beispiele für Kernfusion finden sich in verschiedenen Situationen, sowohl in der Natur als auch in vom Menschen kontrollierten Anwendungen. Einige Beispiele sind:
- Fusion in der Sonne: Die Hauptenergiequelle der Sonne ist die Kernfusion. Im Kern verbinden sich Wasserstoffkerne zu Helium und setzen dabei eine immense Energiemenge in Form von Licht und Wärme frei.
- Wasserstoffbombe: Wasserstoffbomben, auch thermonukleare Bomben genannt, nutzen die Kernfusion, um extrem starke Explosionen zu erzeugen. Bei diesen Bomben wird durch die Verschmelzung 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 ähnliche Bedingungen wie im Sonnenkern, um eine Fusion zu erreichen.
Anforderungen an eine Fusionsreaktion
Um Kernfusionsreaktionen durchführen zu können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
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Erzielen Sie eine sehr hohe Temperatur, um die Elektronen vom Kern zu trennen und ihn dazu zu bringen, sich einem anderen zu nähern, wodurch die elektrostatischen Abstoßungskräfte überwunden werden. Die gasförmige Masse bestehend aus freien Elektronen und hochionisierten Atomen wird Plasma genannt.
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Der Einschluss ist notwendig, um das Plasma für einen minimalen Zeitraum auf einer erhöhten Temperatur zu halten.
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Die Dichte des Plasmas muss ausreichend sein, damit die Kerne nahe beieinander liegen und Kernfusionsreaktionen auslösen können.
Einschluss für Kernfusion
Die herkömmlichen Einschlüsse, die in Kernspaltungsreaktoren verwendet werden, sind aufgrund der hohen Plasmatemperaturen, denen sie standhalten müssen, nicht möglich. Aus diesem Grund wurden zwei wichtige Eingrenzungsmethoden entwickelt:
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Kernfusion durch Trägheitseinschluss (ICF): Dabei wird ein Medium geschaffen, das so dicht ist, dass die Teilchen fast keine Chance haben, zu entkommen, ohne miteinander zu kollidieren.
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Kernfusion durch magnetischen Einschluss (MCF): Die elektrisch geladenen Teilchen des Plasmas werden durch die Wirkung eines Magnetfelds in einem reduzierten Raum gefangen. Das am weitesten entwickelte Gerät hat eine Ringform und heißt Tokamak.
So funktioniert es: Fusionsreaktionen
Die bei Kernfusionsreaktionen normalerweise verwendeten atomaren Elemente 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, der aus einem Neutron und zwei Protonen besteht und ein Neutron und 3,2 MeV Energie freisetzt.
D + D -> T + p + 4,03 MeV
Durch die Verschmelzung zweier Deuteriumkerne werden ein Tritiumkern, ein Proton und 4,03 MeV Energie gewonnen.
Damit diese Reaktionen stattfinden können, muss den Kernen die kinetische Energie zugeführt werden, die erforderlich ist, um die zu verschmelzenden Kerne zusammenzubringen, wodurch die Kräfte der elektrostatischen Abstoßung überwunden werden. Dazu muss das Gas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, wie sie beispielsweise in den Zentren von Sternen vorkommen.
Die Anforderung an jeden Kernfusionsreaktor besteht darin, das Plasma bei einer ausreichend hohen Temperatur und Dichte und genau für die richtige Zeitspanne einzuschließen, damit genügend Kernfusionsreaktionen ablaufen können und verhindert wird, dass Partikel entweichen, um einen Nettogewinn an Energie zu erzielen.
Dieser Energiegewinn hängt davon ab, dass die Energie, die zum Erhitzen und Einschließen des Plasmas benötigt wird, geringer ist als die Energie, die durch Kernfusionsreaktionen freigesetzt wird. Im Prinzip können für jedes Milligramm Deuterium-Tritium 335 MJ gewonnen werden.
Kernbrennstoff für die Fusion
Für Kernfusionsreaktionen werden leichte Kerne benötigt. Im Wesentlichen 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 gebildet wird. Sein Anteil an 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 dem Deuterium eines Liters Meerwasser gewonnen werden kann, der Energie entspricht, die aus 250 Litern Öl gewonnen werden kann.
Angesichts des Vorkommens von 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 radioaktive Isotop des Wasserstoffatoms. Es besteht aus einem Proton und zwei Neutronen und zerfällt relativ schnell durch Betaemission.
Obwohl Tritium in der Natur selten vorkommt, kann es durch Neutroneneinfangreaktionen mit Lithiumisotopen erzeugt werden. Lithium ist ein reichlich vorhandenes Material in der Erdkruste und im Meerwasser.
Forschungsprojekt zur Kernfusion
Das am weitesten fortgeschrittene Projekt der Kernfusion durch magnetischen Einschluss ist der ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ein Prototyp, der auf dem Tokamak-Reaktorkonzept basiert und bei dem eine Zündung erreicht werden soll.
Aufgrund der guten Ergebnisse des Joint European Torus (JET) wurde 1990 beschlossen, das Fusionsprogramm mit einer größeren Anlage fortzusetzen, in der neben dem Reaktor auch seine Hilfssysteme getestet werden konnten, ohne noch Strom zu erzeugen. 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 ermitteln.
In der ITER-Maschine wird keine elektrische Energie erzeugt, sondern es werden Lösungen für die Probleme getestet, die gelöst werden müssen, um zukünftige Kernfusionsreaktoren realisierbar zu machen.