Die Kernfusion

Die Verschmelzung zweier leichter Kerne zu einem größeren Kern bezeichnet man als Kernfusion. Dass auch bei der Kernfusion zweier leichter Kerne Energie frei wird, lässt sich aus dem Diagramm, in dem die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Massenzahl dargestellt ist, erkennen:

Der Betrag der Bindungsenergie pro Nukleon ist zudem bei den leichten Kernen deutlich kleiner als bei mittelschweren Kernen. Die Kurve ist bei den sehr leichten Kernen wesentlich steiler – das bedeutet, dass bei der Verschmelzung zweier leichter Kerne der Betrag der mittleren Bindungsenergie pro Nukleon deutlich stärker zunimmt als bei der Spaltung zweier schwerer Kerne.

Wie viel Energie wird bei der Kernfusion frei?

Die frei werdende Energie bei einer Kernfusion geht hauptsächlich in kinetische Energie der entstehenden Teilchen über. Diese Energie lässt sich wie bei der Kernspaltung aus dem Massendefekt berechnen:

Beispiel:

Zwei Kerne des Wasserstoffisotops 2H (Deuterium) verschmelzen zu Tritium (3H). Dabei entsteht außerdem ein freies Proton.

Die Reaktionsgleichung lautet:

^{2}_{1}H \; + {\;} ^{2}_{1}H \; \rightarrow {\;} ^{3}_{1}H \; + \; ^{1}_{1}p

Die Massen der beteiligten Teilchen betragen

Kernmasse 2H     m_{K}=2,013553u

Kernmasse 3H     m_{K}=3,015500u

Protonenmasse   m_{P}=1,007276u

Der Massendefekt \Delta m ergibt sich aus der Differenz der Massen auf der linken und auf der rechten Seite. Die Berechnung des Massendefektes ergibt:

\Delta m=0,00433u=7,19\cdot 10^{-30}kg

Daraus lässt sich die frei werdende Energie berechnen:

E=\Delta m\cdot c^{2}=6,46\cdot 10^{-13}J=4,04MeV

Ergebnis:

Bei der Verschmelzung zweier Deuteronkerne wird ein Energiebetrag von 4,04 MeV frei.

Verglichen mit dem Energiebetrag von ca. 200 MeV bei der Kernspaltung scheint das deutlich weniger zu sein. Man muss allerdings bedenken, dass die beteiligten Massen hier wesentlich geringer sind. Gegenüber 235 Nukleonen bei der Spaltung eines Urankerns sind bei dieser Reaktion nur 4 Nukleonen beteiligt!

Außerdem gibt es weitere Fusionsreaktionen, bei denen deutlich mehr Energie frei wird, u.a.:

Bei der Fusion von Deuterium ^{2}_{1}H mit Tritium ^{3}_{1}H zu Helium-4 wird ein Energiebetrag von 17,58 MeV frei.

Reaktionsgleichung:      ^{2}_{1}H \; + {\;} ^{3}_{1}H \; \rightarrow {\;} ^{4}_{2}He \; + \; ^{1}_{0}n

Bei der Fusion von Deuterium ^{2}_{1}H mit Helium-3 ^{3}_{2}He zu Helium-4 wird ein Energiebetrag von 18,34 MeV frei.

Reaktionsgleichung:      ^{2}_{1}H \; + {\;} ^{3}_{2}He \; \rightarrow {\;} ^{4}_{2}He \; + \; ^{1}_{1}p

Bedingungen für eine Kernfusion

Damit eine Fusion zustande kommt, müssen sich die Kerne gegen die abstoßenden Coulombkräfte so weit annähern, dass sie den Wirkungsbereich der starken Kernkraft erreichen. Dazu müssen sie eine ausreichende kinetische Energie besitzen.

Die mittlere kinetische Energie, die zur Reaktion erforderlich ist, erreichen Atome eines Gases erst bei Temperaturen von etwa 2 Milliarden Kelvin.

Bei derart hohen Temperaturen sind alle Atome eines Gases ionisiert – die Elektronen und Ionen sind gleichmäßig verteilt. Einen solchen Zustand von Materie bezeichnet man als Plasma. Dieser wird auch als vierter Aggregatzustand bezeichnet (neben flüssig, fest und gasförmig).

Temperaturen der erforderlichen Größenordnung lassen sich technisch realisieren. Da es jedoch kein Material gibt, welches dem Kontakt mit dem Plasma standhält, muss das Plasma von den Gefäßwänden ferngehalten werden. Das wird mit Magnetfeldern erreicht – denn auf geladene Teilchen (Elektronen, Ionen) wirkt im Magnetfeld die Lorentzkraft.

Mehr zum Thema Kernfusion erfährst Du u.a. auf den folgenden Seiten:

https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/fusion21/kernfusion/index.html

http://kernenergie.technology/was-ist-kernenergie/kernfusion

https://www.iter.org

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