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Kernfusion


Verschmelzung


Basiswissen


Als Kernfusion bezeichnet man die Vereinigung von zwei ehemals getrennten Atomkernen: Atomkerne sind immer elektrisch positiv geladen. Sie stoßen sich deshalb mit der Coulomb-Kraft ab, und zwar umso stärker, je näher sie zusammen kommen. Ab einer Entfernung von etwa 10 hoch minus 15 Metern aber überwiegt eine anziehende Kernkraft. Wenn man Atomkerne nahe genug zusammen bringt, dann können sie fusionieren (verschmelzen). Dabei kann eine sehr große Energiemenge freigesetzt werden.

Die Kernfusion und der Tunneleffekt


Um zu verschmelzen, müssen sich zwei Protonen ausreichend nahe sein. Auf größere Abstände überwiegt die abstoßende elektrische Coulomb-Kraft. Nur bei sehr Abständen von weniger als 3 mal 10 hoch minus 15 Metern überwiegen die anziehenden Kernkräfte. Diesen Coulombwall könnten die Protonen mit hohen Geschwindigkeiten überwinden. Sie bräuchten dafür eine Bewegungsenergie (kinetische Energie) von rund 250 keV (Kiloelektronenvolt). Tatsächlich haben aber die Protonen im Inneren der Sonne im Durchschnitt nur 2 keV an Bewegungsenergie. Zwar gibt es nach der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung immer auch einige sehr schnelle Protonen. Doch bei den Temperaturen von 15 Millionen Kelvin im Inneren der Sonne wären das nur etwa 1200 Protonen in jeder Sekunde. Es fusionieren in der Sonne aber rund 3,6 mal 10 hoch 38 Protonen pro Sekunde. Diese große Anzahl von Protonen kann unmöglich alleine durch die hohe Temperatur im Sonneninneren den Coulombwall überwunden haben. Wichtig für den letztendlichen Erfolg im Sinne einer Fusion ist der sogenannte Tunneleffekt ↗

Die Deuterium-Tritium-Reaktion


Die beste Energieausbeute bietet die Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen. So gewinnt unsere Sonne ihre Energie und so funktionieren auch Wasserstoffbomben. In Frage kommen dabei sowohl Deuterium-Deuterium-Reaktionen wie auch Deuterium-Tritium-Reaktionen. Beide können funktionieren. Die Reaktionsfreudigkeit bei der zweiten Art ist jedoch 20 mal höher als bei der ersten Reaktionsart. Auch benötigt man bei Deuterium-Tritium-Reaktionen nur ein Drittel der Temperatur von Deuterium-Deuterium-Reaktionen. Sie ist daher die von Kernphysiker technologisch bevorzugte Reaktionsart. Siehe mehr dazu im Artikel zur Deuterium-Tritium-Reaktion ↗

Das Grundproblem der technischen Kernfusion


Bei einer künstlich auf der Erde betriebenen Kernfusion, auch Kernverschmelzung genannt, soll die Gewinnung von Energie wie im Inneren der Sonne nachgestellt werden[1]. Für eine Fusion von Atomkernen müssen die starken abstoßenden Coulombkräfte überwunden werden[3]. Atomkerne sind immer elektrisch positiv geladen und stoßen sich bei mittleren bis großen Entfernungen voneinander sehr stark gegenseitig ab. Erst wenn sie sehr nahe beieinander sind, überwiegen die stark anziehenden Kernkräfte[4]. Die Grundidee eines Fusionsreaktors ist es daher, die elektrisch positiven Atomkerne so schnell zu machen, dass ihre Bewegungsenergie (kinetische Energie) stark genug ist, um die starken elektrischen Abstoßungskräfte zu überwinden[5]. Eine Art Teilchen schnell zu machen ist es, sie stark zu erhitzen[6], was zum Beispiel in der Sonne auf natürliche Weise geschieht[9]. Die Probleme einer technisch umsetzbaren Kernfusion gehen oft darauf zurück, dass die Teilchen des Wasserstoffplasmas so stark erhitzt werden muss, dass kein Material der Welt die hohen Temperaturen aushalten würde. Die Lösungsidee, das Plasma frei schwebend in einer Art Käfig aus Magnetfeldern zu halten gelingt zwar für kurze Zeit in Versuchsreaktoren[7]. Aber die nötigen starken Magnetfelder mit bis zu 4 Tesla Magnetfeldstärke bringen die Elektromagnete an die Grenze ihres Materials[8]. Ein Ausweg wird darin gesucht, dass die Spulen der Elektromagnete aus Supraleitern gebaut werden, bei denen höhe Ströme keine nennenswerten Mengen an Hitze produzieren[10].

Ist der Brennstoff wirklich unbegrenzt verfügbar?


Brennstoff für die Deuterium-Deuterium-Reaktion ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Diese Reaktion ist aber weniger effizient und technisch schwieriger zu realisieren als die Deuterium-Tritium Reaktion. Tritium kommt in der Natur nicht in wirtschaftlich sinnvoll abbaubaren Lagerstätten vor. Es kann auch nicht sinnvoll aus normalen Wasser angereichert werden. Die übliche Quelle für Trititum sind klassische Atomkraftwerke auf Basis von Kernspaltung. Diese müssten als Tritiumquellen für den Betrieb von Fusionsreaktoren also weiter betrieben werden. Zwar ist es möglich Tritium auch im Fusionsreaktor selbst herzustellen. So kann man das Plasma mit einem Lithium-Mantel umgeben. In diesem entstehen durch den Beschuss mit Neutronen aus der Fusion Tritium-Atome. Doch genügt die Ausbeute nicht, um einen Fusionsreaktor vollständig damit zu versorgen. Man muss also entweder Fissions-Reaktoren als Tritiumquelle nutzen oder auf die technisch aufwändigere Deuterium-Deuterium-Reaktion ausweichen.[1]

Fußnoten