Kernwissen
Kernfusion
Es handelt sich um einen nuklearen Prozess, bei dem Energie durch die Verschmelzung von leichten Atomen erzeugt wird. Sie ist die entgegengesetzte Reaktion zur Kernspaltung, bei der schwere Isotope gespalten werden. Die Fusion ist der Prozess, durch den die Sonne und andere Sterne Licht und Wärme erzeugen.
Auf der Erde lässt sie sich am einfachsten durch die Verbindung zweier Wasserstoffisotope erreichen: Deuterium und Tritium. Wasserstoff ist das leichteste aller Elemente, er besteht aus einem einzigen Proton und einem Elektron. Deuterium hat ein zusätzliches Neutron in seinem Kern; es kann eines der Wasserstoffatome in H20 ersetzen, um das so genannte „schwere Wasser“ herzustellen. Tritium hat zwei zusätzliche Neutronen und ist daher dreimal so schwer wie Wasserstoff. In einem Fusionszyklus werden Tritium und Deuterium kombiniert und führen zur Bildung von Helium, dem nächstschweren Element im Periodensystem, und zur Freisetzung eines freien Neutrons.
Deuterium kommt zu einem Teil pro 6.500 im gewöhnlichen Meerwasser vor und ist daher weltweit verfügbar, wodurch das Problem der ungleichen geografischen Verteilung der Brennstoffressourcen entfällt. Das bedeutet, dass es Brennstoff für die Kernfusion gibt, solange es Wasser auf der Erde gibt.
WUSSTEST DU?
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Greifswald haben gezeigt, dass es möglich ist, Wasserstoffatome so zu überhitzen, dass sie ein Plasma von 80 Millionen Grad Celsius bilden. Das Plasma bildet die Grundlage für die Kernfusion, bei der Wasserstoffatome kollidieren und ihre Kerne zu Heliumatomen verschmelzen – ein Prozess, der Energie freisetzt und dem Vorgang in unserer Sonne ähnelt.
Was ist Fusionsenergie?
Schauen wir uns eine Fusionsreaktion an. Wenn Deuterium und Tritium miteinander verschmelzen, werden ihre Bestandteile zu einem Heliumatom und einem schnellen Neutron rekombiniert. Wenn die beiden schweren Isotope wieder zu einem Heliumatom zusammengefügt werden, bleibt eine „zusätzliche“ Masse übrig, die in die kinetische Energie des Neutrons umgewandelt wird, gemäß der Einsteinschen Formel: E=mc2.
Damit eine Kernfusionsreaktion stattfinden kann, müssen sich zwei Kerne so nahe kommen, dass die Kernkräfte aktiv werden und die Kerne zusammenkleben. Kernkräfte sind Kräfte über kleine Entfernungen und müssen gegen die elektrostatischen Kräfte wirken, bei denen sich positiv geladene Kerne gegenseitig abstoßen. Dies ist der Grund, warum Kernfusionsreaktionen meist in Umgebungen mit hoher Dichte und hohen Temperaturen stattfinden.
Bei sehr hohen Temperaturen werden Elektronen aus den Atomkernen herausgelöst und bilden ein Plasma (ionisiertes Gas). Unter solchen Bedingungen können die abstoßenden elektrostatischen Kräfte, die positiv geladene Atomkerne auseinanderhalten, überwunden werden, und die Kerne ausgewählter leichter Elemente können zusammengebracht werden, um zu verschmelzen und andere Elemente zu bilden. Die Kernfusion leichter Elemente setzt enorme Energiemengen frei und ist der grundlegende energieerzeugende Prozess in Sternen.
Das Ziel der Fusionsforschung ist es, die Fusionsionen bei ausreichend hohen Temperaturen und Drücken und für eine ausreichend lange Zeit einzuschließen, um zu fusionieren.
