Atomverschmelzung

Beispiel für eine Fusionsreaktion:
Deuterium und Tritium verschmelzen zu einem Heliumkern unter Freisetzung eines Neutrons.
Diese Reaktion wird als Quelle für schnelle Neutronen genutzt; die Energie beider Reaktionsprodukte kann zur Energiegewinnung in einem Kernfusionsreaktor dienen. Diese Fusionsreaktion findet außerdem in Wasserstoffbomben statt.

Kernfusion bezeichnet eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern „verschmelzen“.

Grundsätzlich kann diese Reaktion exotherm (Energie liefernd) oder endotherm (Energie verbrauchend) sein; nennenswert große Wirkungsquerschnitte (Wahrscheinlichkeit, dass die zusammenstoßenden Kerne miteinander reagieren) gibt es nur bei exothermen Fusionsreaktionen oder bei endothermen Reaktionen, wenn beide Kerne mit ausreichend Energie aufeinanderprallen. Exotherme Fusionsreaktionen können in Form einer energetischen Kettenreaktion ablaufen. Diese sind wesentlicher Gegenstand der Forschung und Entwicklung zur Energiegewinnung.

Bei der Kernfusion muss zunächst die Coulombbarriere (elektrische Abstoßungskraft) zwischen den positiv geladenen Kernen überwunden werden. Der Tunneleffekt macht diesen Vorgang wahrscheinlicher. Beträgt der Abstand dann nur noch 10^-15 m, bindet die starke Wechselwirkung die Kerne aneinander.

Energiebilanz

Ist die Masse der bei der Fusion entstandenen Kerne/Teilchen geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne, wird die Massendifferenz Δm (der sogenannte Massendefekt) nach der von Einstein stammenden Masse-Energie-Äquivalenzformel E = Δmc² in Form von Energie frei (als kinetische Energie der Reaktionsprodukte und als Strahlungsenergie). Solche exothermen Fusionsreaktionen sind nur im Gebiet der leichten Kerne möglich, da die Bindungsenergie pro Nukleon mit steigender Massenzahl bis hin zum Element Eisen (⁵⁸Fe) zunimmt. Ein starkes lokales Maximum hat sie beim Nuklid Helium-4. Die für die Fusionsenergiegewinnung günstigsten Reaktionen (siehe Kernfusionsreaktor) erzeugen daher He-4. Im Bild oben ist die am leichtesten einzuleitende dieser Reaktionen, D + T → ⁴He + n, dargestellt.

Die Bildung von 1 kg Helium mittels dieser Reaktion liefert eine Energie von rund 115 Millionen Kilowattstunden (115 Gigawattstunden) oder 14,126 Mio SKE. Dies würde bei idealer, vollständiger Umwandlung den gesamten deutschen Strombedarf von 2 Stunden decken.

Kernfusion in Gestirnen

Proton-Proton-Reaktion der Sonne

Kernfusionen sind die Energiequelle der Sterne, also auch unserer Sonne. In den meisten Sternen fusioniert dabei Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium („Wasserstoffbrennen“); bei dem in diesen Sternen herrschenden Druck liegt die dafür nötige Temperatur bei etwa 10 Millionen °C.

Reaktionen (Auswahl):

• ${}^2\mathrm{H} + {}^3\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^4\mathrm{He} + {}^1\mathrm{n} + 17{,}588\,\mathrm{MeV}$ (größter Wirkungsquerschnitt)
• ${}^2\mathrm{H} + {}^2\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^3\mathrm{He} + {}^1\mathrm{n} + 3{,}268\,\mathrm{MeV}$
• ${}^2\mathrm{H} + {}^2\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^3\mathrm{H} + {}^1\mathrm{p} + 4{,}03\,\mathrm{MeV}$
• ${}^2\mathrm{H} + {}^3\mathrm{He} \,\rightarrow\, {}^4\mathrm{He} + {}^1\mathrm{p} + 18{,}34\,\mathrm{MeV}$

In der Sonne findet u.a. die Proton-Proton-Reaktion statt, eine Folge von Reaktionen, bei der ebenfalls Helium-4 mit entsprechendem Energiegewinn entsteht. Zudem findet in der Sonne ein durch Kohlenstoff katalysierter Fusionszyklus statt, der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6 % der Energieproduktion der Sonne ausmacht.

Die für die Fusion notwendige Temperatur hängt unter anderem vom Druck ab. So liegt die für die Wasserstofffusion nötige Temperatur auf der Erde bei etwa 100 Millionen K, da hier kein solcher Druck wie der in der Sonne herrschende Gravitationsdruck erzeugt werden kann.

Wenn der Wasserstoff eines Sterns aufgebraucht und in Helium verwandelt ist, kommt die Energie aus der Fusion von Helium oder noch schwereren Atomkernen. Diese Fusionen liefern weniger Energie und benötigen höhere Fusionstemperaturen. Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch am Ende auch schwerere Elemente durch Fusion entstehen (bis zur Massenzahl 56 (Eisen)). Elemente mit noch größeren Massenzahlen können hingegen nicht mehr auf diese Weise entstehen, da solche Fusionen endotherm sind, d. h. weniger Energie liefern, als sie benötigen. Sie werden durch Neutronen- (s- und r-Prozess) und Protonenanlagerung (p-Prozess) gebildet (siehe Supernova, Kernkollaps).

Anwendungen

Physikalische Forschung, Neutronenquellen

Fusionsreaktionen ohne Kettenreaktionseffekt, d. h. ohne dass die Reaktionsprodukte durch Stöße weitere Kerne zur Fusion bringen, lassen sich wie andere Kernreaktionen mittels Teilchenbeschleunigern im Labor zu physikalischen Forschungszwecken durchführen. Die oben genannte Deuterium-Tritium-Reaktion wird so zur Erzeugung schneller freier Neutronen verwendet. Auch der Farnsworth-Hirsch-Fusor ist eine Quelle freier Neutronen für Forschungs- und technische Zwecke.

Waffen

Deuterium-Tritium-Fusion: Erklärung in drei Schritten

Unkontrollierte Fusions-Kettenreaktionen laufen in Kernwaffen (Wasserstoffbombe) ab. Dabei kann, je nach Größe der Bombe, die vieltausendfache Sprengkraft der Hiroshima-Bombe (Little Boy, ca. 18 Kilotonnen TNT) freigesetzt werden. Die größte je getestete Wasserstoffbombe, die Zar-Bombe, erreichte eine Sprengkraft von 57 Megatonnen TNT. Aber auch Atombomben mit einer Sprengkraft im Kilotonnen-Bereich werden heute regelmäßig mit Fusions-Booster oder als mehrstufiges Design mit eigenen Kernfusions-Stufen ausgeführt. Insbesondere bewirken die bei der Kernfusion erzeugten schnellen Neutronen weitere Kernspaltungen in der Uran- oder Plutonium-Ladung bzw. -Mantel. Insgesamt erhöht sich so die Zündsicherheit der Bombe bei gleichzeitig reduziertem Gewicht.

Zivile Energiegewinnung

In einem Kernfusionsreaktor könnten hohe Energiemengen erzeugt werden, wobei die benötigten Brennstoffe (Wasserstoffisotope) auf lange Sicht in fast beliebiger Menge zur Verfügung stehen. Eine Strahlenbelastung, vor allem durch Neutronen, tritt auf, jedoch deutlich niedriger als bei der Kernspaltung.

Große Entwicklungslinien

Zur Nutzung der Deuterium-Tritium-Reaktion als Energiequelle werden in internationaler Zusammenarbeit Kernfusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss des Plasmas nach dem Tokamak- und auch dem Stellarator-Prinzip entwickelt (siehe auch Fusion mittels magnetischen Einschlusses und ITER).

Daneben gibt es – hauptsächlich militärisch finanzierte – Entwicklungsprogramme für die Fusion mit Trägheitseinschluss. Dies ist, sehr vereinfacht gesagt, die Zündung einer Mikro-Wasserstoffbombe in einem Reaktionsgefäß mittels Laser- oder Ionenstrahlen (siehe Trägheitsfusion). Diese Programme dienen weniger der Entwicklung großtechnischer Energiegewinnung, sondern der Grundlagenforschung am Fusionsplasma und vor allem dem Ersatz der früheren Kernwaffentests.

Kalte Fusion

Als Kalte Fusion werden verschiedene Konzepte und Experimente bezeichnet, die Fusionskettenreaktionen beschreiben, die bei deutlich geringeren Temperaturen ablaufen. Bekannt wurde dieser Ansatz vor allem durch die Arbeit von Martin Fleischmann aus dem Jahr 1990. Die Ansätze sind teils nicht reproduzierbar nachgewiesen, teils steht die physikalische und technische Möglichkeit außer Zweifel, jedoch bei negativer oder umstrittener Gesamtenergiebilanz.

Siehe auch

• Kernfusionsreaktor
• Fusion mittels magnetischen Einschlusses
  • Tokamak
    • Joint European Torus (JET)
    • ASDEX Upgrade
    • Internationaler Thermonuklearer Experimenteller Reaktor (ITER)
  • Stellarator
    • Wendelstein 7-AS
    • Wendelstein 7-X
• Trägheitsfusion
• Z-Maschine
• Alexander M. Bradshaw
• Gerd Wolf

Einzelnachweise

Literatur

• Alexander M. Bradshaw, Thomas Hamacher: Kernfusion - Eine nachhaltige Energiequelle der Zukunft. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(12), S. 629 - 637 (2005), ISSN 0028-1050

Weblinks

• Pressemitteilung der Sandia National Laboratories über das Erreichen einer Temperatur von über 2 Milliarden Grad in der Z-Maschine (engl.)
• Schülerseite mit Informationen zur Kernfusion
• Kernfusion per Laser Zusammenfassung, TV-Beitrag
• Der Traum von der Kernfusion Artikel und TV-Beitrag vom 23. März 2009

Video

• Brauchen wir die Kernfusion?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt). 2. Februar 2003