Kernfusion

Kernfusion ist die Verschmelzung (auch: Fusion) von zwei Atomkernen zu einem schwereren Kern. Es sind sowohl endotherme, als auch exotherme Fusionsreaktionen theoretisch notwendig und experimentell bestätigt. Im Folgenden wird verstärkt die energiegebende Variante der fusionierenden Kernreaktion thematisiert werden.

Bei der Kernfusion werden also Energien frei oder aufgebraucht. Woher aber kommt und wohin geht dabei die Energie? Was zunächst nach einer Verletzung des Energieerhaltungssatzes aussieht, erklärt Einsteins E=mc². Laut dieser Formel kann Masse in Energie und Energie in Masse umgewandelt werden. Alle Atomenergie geht auf die Äquivalenz von Masse und Energie zurück. Wenn nun beispielsweise infolge einer Kernfusion Energie freigesetzt wird, verringert sich dadurch die Masse des Kerns. Ein Teil der Kernmassen wird infolge der Fusion also zu Energie. Aufgrund des immens großen Faktors Lichtgeschwindigkeit im Quadrat geht bereits ein geringer Masseverlust mit enormer Energiefreisetzung einher. Mithilfe eines Massenspektrometers lässt sich die Masse der Anfangsprodukte mit der Masse des Endproduktes vergleichen und somit beweisen, dass der Energieerhaltungssatz tatsächlich nicht verletzt wird. 

Atomenergie aus einer Kernfusion wird ergo logischerweise freigesetzt, wenn zwei Atomkerne so miteinander verschmelzen, dass ein Atomkern bei dem die Summe der Nukleonen leichter ist als zuvor entsteht. Nun benötigt es einen Blick in das Periodensystem der Elemente. Zur Gewinnung von Energie sind diejenigen Atomkerne vonnöten, deren Gewicht je Nukleon (Protonen oder Neutronen) geringer als vor einer Verschmelzung sind. Denn da Masse nicht verloren geht, muss es irgendwo als Energie weiter existieren. Den Masseverlust von den einzelnen Summen der Massen der Nukleonen zu der Masse des Atomkerns als Ganzes nennt man Massendefekt.

Protonen stoßen sich (ähnlich wie in der Elektrizitätslehre) aufgrund ihrer gleichen positiven Ladung  voneinander ab. Atomkerne fliegen jedoch nicht auseinander. Folglich muss es eine Kraft, die Kernkraft, die die Protonen im Atominneren zusammenhält, geben. Diese Kernkraft ist zwar stark, wirkt jedoch nur innerhalb eines kleinen Gebietes. Es gibt somit eine schwächere, weitreichendere und eine stärkere, zentriertere Kraft. Damit zwei Atomkerne also fusionieren, müssen sie sich sehr nahe kommen. Denn dann überwiegt die anziehende Kraft der abstoßenden und die beiden Kerne fusionieren zu einem. Infolge des Energieausstoßes bewegen sich der neue Atomkern und übriggebliebene Nukleonen schnell voneinander weg. Auf diese Weise wirkt die Energie.

Die Energie der Sonne, die das Leben auf unserer Erde überhaupt erst ermöglicht, stammt aus solchen Kernfusionen. Viele chemische Elemente sind so vor langer Zeit in Sternen entstanden. Nun stellt sich natürlich die Frage, ob sich diese ungeheure Energiequelle auch zwecks konventioneller Energiegewinnung auf der Erde „bändigen“ lässt (dabei ist die Wortwahl mit „bändigen“ keineswegs übertrieben. Die Wasserstoffbomben ist ein Beispiel für eine unkontrollierte Kernfusion). Wie wahrscheinlich sind Fusionskraftwerke?

Auf der Erde ist die Fusion oben skizzierter Wasserstoffisotope am leichtesten. Ein Kilogramm dieser „Brennstoffe“ würde 90.000.000 Kilowattstunden Energie liefern. Das entspricht der Heizenergie von ca. 30 Millionen Kilogramm mittelfeuchtem Brennholz. Selbst die Umsetzung dieser verhältnisweise einfachen Kernverschmelzung gestaltet sich in der Praxis äußerst schwierig. Die aufkommenden Probleme lassen sich u.a. in diese beiden unterscheiden. Wie lässt sich die Kernfusion herbeiführen? Und wie lässt sich die freigesetzte Energie nutzen?

Um die gegenseitigen Abstoßungskräfte der Atomkerne zu überwinden, benötigt es einer hohen Teilchendichte. Diese und andere Umstände müssen für eine permanente Fusionsreaktion  gegeben sein. Eine weitere notwendige Bedingung dieses sogenannten Lawson-Kriteriums ist eine allzeit sehr hohe Temperatur. Bei der notwendigen Temperatur von 100.000.000 Grad Celsius gehen die beiden aufgeführten Wasserstoffisotope über in den vierten Aggregatzustand der Materie: Plasma. Das nun vorliegende Plasma ist nichts anderes als ionisiertes Gas, das nun elektrisch leitfähig ist. Dank der elektrischen Leitfähigkeit kann nun das Plasma in einem starken Magnetfeld festgehalten werden. Dies ist unerlässlich für eine Kernfusion. Würde man das Plasma nämlich nicht „in der Luft schweben lassen“, sondern einfach „einfüllen“, würden das Plasma infolgedessen abkühlen  und die Wände beschädigen. So lassen sich Kernfusionen herbeiführen. Konzepte für Kernfusionsreaktoren, (also auch der Fusionsenrgienutzung) aufbauend auf diesen Grundbausteinen, gibt es dabei mehrere.

• Kernspaltung: das Gegenteil von der Kernfusion.

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