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ITER-Projekt, Frankreich
Kern Fusion

Voraussetzungen für eine Kernfusionsreaktion

Voraussetzungen für eine Kernfusionsreaktion

Um eine Kernfusionsreaktion zu erhalten, müssen die beteiligten Atome eine wichtige Barriere elektrostatischer Kräfte überwinden. Aufgrund elektrostatischer Kräfte stoßen sich zwei Kerne ohne Elektronen gegenseitig ab. Diese Abstoßung wird durch positiv geladene Protonen verursacht. Wenn jedoch zwei Kerne nahe genug kommen können, kann die elektrostatische Abstoßung durch den Quanteneffekt überwunden werden, bei dem die Kerne durch die Coulombkräfte tunneln können.

Wenn ein Nukleon wie ein Proton oder ein Neutron zu einem Kern hinzugefügt wird, zieht die Kernkraft es zu allen anderen Nukleonen im Kern an (wenn das Atom klein genug ist), aber hauptsächlich zu seinen unmittelbaren Nachbarn aufgrund des kurzen Kraftbereichs. Nukleonen innerhalb eines Kerns haben mehr benachbarte Nukleonen als solche auf der Oberfläche.

Kleinere Kerne haben ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Aus diesem Grund nimmt die Bindungsenergie pro Nukleon aufgrund der Kernkraft im Allgemeinen mit der Größe des Kerns zu, nähert sich jedoch einem Grenzwert an, der dem eines Kerns mit einem Durchmesser von ungefähr vier Nukleonen entspricht.

Elektrostatische Kraft

Die elektrostatische Kraft ist andererseits eine umgekehrte quadratische Kraft, so dass ein Proton, das einem Kern hinzugefügt wird, eine elektrostatische Abstoßung aller anderen Protonen im Kern empfindet. Die elektrostatische Energie pro Nukleon aufgrund der elektrostatischen Kraft steigt somit unbegrenzt an, wenn die Ordnungszahl des Kerns wächst.

Das Nettoergebnis der entgegengesetzten elektrostatischen und starken Kernkräfte ist, dass die Bindungsenergie pro Nukleon im Allgemeinen mit zunehmender Größe zunimmt und dann für schwerere Kerne abnimmt. Schließlich wird die Bindungsenergie negativ und sehr schwere Kerne sind nicht stabil.

Eine Ausnahme von diesem allgemeinen Trend bildet der Helium-4-Kern. Die Bindungsenergie von Helium-4 ist größer als die von Lithium, dem nächst schwereren Element. Das liegt daran, dass Protonen und Neutronen Fermionen sind. Fermionen können nach dem Ausschlussprinzip von Pauli nicht im selben Kern im selben Zustand existieren. Der Energiezustand jedes Protons oder Neutrons in einem Kern kann sowohl ein rotierendes Teilchen als auch ein rotierendes Teilchen aufnehmen.

Helium-4 hat eine ungewöhnlich große Bindungsenergie, da sein Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht, sodass sich seine vier Nukleonen im Grundzustand befinden können. Jedes zusätzliche Nukleon müsste in höhere Energiezustände eintreten. Tatsächlich ist der Helium-4-Kern so eng gebunden, dass er üblicherweise als quantenmechanisches Teilchen in der Kernphysik behandelt wird, nämlich als Alpha-Teilchen.

Ähnlich verhält es sich, wenn zwei Kerne zusammengefügt werden. Wenn sie näher kommen, stoßen alle Protonen in einem Kern alle Protonen im anderen ab. Erst wenn sich die beiden Kerne nahe genug kommen, um die starke Kernkraft (über einen Tunnel) zu übernehmen, wird die abstoßende elektrostatische Kraft überschritten. Selbst wenn der endgültige Energiezustand niedriger ist, gibt es folglich eine große Energiebarriere, die zuerst überwunden werden muss. Es wird die Coulomb-Barriere genannt.

Die Coulomb-Barriere ist die kleinste für Wasserstoffisotope, da ihre Kerne eine einzige positive Ladung enthalten. Ein Diproton ist nicht stabil, daher müssen auch Neutronen beteiligt sein, idealerweise ein Heliumkern mit seiner extrem engen Verbindung.

Der Reaktionsquerschnitt (σ) ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Fusionsreaktion in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit der beiden reaktiven Kerne. Wenn die Reagenzien eine Geschwindigkeitsverteilung aufweisen, beispielsweise eine Wärmeverteilung, ist es nützlich, die Produktquerschnittsverteilungen und die Geschwindigkeit zu mitteln. Dieser Durchschnitt wird als "Reaktivität" bezeichnet und mit & sgr; v bezeichnet. Die Reaktionsgeschwindigkeit (Fusionen pro Volumen pro Zeit) ist das σv-fache des Produkts der Reagenszahldichten.

Deuterium Tritium Fuel

Deuterium ist eines der beiden stabilen Wasserstoffisotope. Der Kern eines Deuteriumatoms, Deuteron genannt, enthält ein Proton und ein Neutron, während das weitaus häufigere Protium keine Neutronen im Kern hat.

Tritium ist ein seltenes und radioaktives Wasserstoffisotop. Der Tritiumkern enthält ein Proton und zwei Neutronen, während der gemeinsame Wasserstoff-1-Isotopenkern nur ein Proton enthält und der Wasserstoff-2-Kern (Deuterium) ein Proton und ein Neutron enthält.

Unter Verwendung von Deuterium-Tritium-Brennstoff beträgt die resultierende Energiebarriere ungefähr 0,1 MeV. Im Vergleich dazu beträgt die Energie, die zur Entfernung eines Elektrons aus Wasserstoff benötigt wird, 13,6 eV, was ungefähr 7500-mal weniger Energie bedeutet. Das (Zwischen-) Ergebnis der Fusion ist ein instabiler 5 He-Kern, der sofort ein Neutron mit 14,1 MeV ausstößt. Die Rückstoßenergie des verbleibenden 4 He-Kerns beträgt 3,5 MeV, so dass die insgesamt freigesetzte Energie 17,6 MeV beträgt. Das ist um ein Vielfaches mehr als nötig, um die Energiebarriere zu überwinden.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der Schmelze nimmt mit der Temperatur schnell zu, bis sie maximiert ist, und nimmt dann allmählich ab. Die DT-Rate erreicht einen Spitzenwert bei einer niedrigeren Temperatur (ungefähr 70 keV oder 800 Millionen Kelvin) und bei einem höheren Wert als bei anderen Reaktionen, die üblicherweise für die Fusionsenergie in Betracht gezogen werden.

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Erscheinungsdatum: 15. Januar 2020
Geändert am: 15. Januar 2020