Kernfusion: Die Wissenschaft, die Wasser in Elektrizität verwandelt

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Aktualisiert am: 03 Mar 2021

Hast du dich schon einmal gefragt, warum die Sonne scheint ? Könnten wir den gleichen Mechanismus nutzen, um hier auf der Erde Energie zu produzieren? Die Antwort auf diese beiden Fragen lautet Kernfusion !

Image of Earthly bewundert die Sonne — Earthly bewundert die Sonne

Was ist Kernfusion?

In vorherigen Kapiteln haben wir die Kernspaltung diskutiert: Ein großes Atom zerfällt unter Freisetzung von Energie in kleinere. Kernfusion ist der umgekehrte Vorgang. Aus zwei kleineren Atomen wird ein größeres gebildet .

Warum Fusion eine große Energiequelle darstellen würde

Wenn Kernspaltung Energie freisetzt, wie kann durch die Fusion von Atomen ebenfalls Energie freigesetzt werden?

Kernspaltung verwendet schwere Elemente (Elemente mit vielen Protonen und Neutronen) während Kernfusion sehr leichte Elemente verwendet . Warum? Für Elemente, die leichter als Eisen (26 Protonen) sind, setzt die Fusion Energie frei, wohingegen die Spaltung zusätzliche Energie benötigt. Für Elemente, die schwerer als Eisen sind, ist dies genau umgekehrt .

Image of Fusions- und Spaltungspotential — Fusions- und Spaltungspotential

Bei großen Atomen wie Uran gewinnen wir also Energie aus der Spaltung; zur Fusion müssten wir jedoch viel Energie zuführen. Umgekehrt liefert uns die Fusion leichter Elemente Energie !

Wie funktioniert Kernfusion?

Man könnte prinzipiell versuchen, zwei beliebige Elemente zu fusionieren. Wir möchten uns aber auf die Fusionsreaktionen konzentrieren, die zur Stromerzeugung verwendet werden können.

Wir bezeichnen Elemente nach ihrer Protonen- und Neutronenzahl: z. B. steht u00221p2nu0022 für einen Atomkern mit einem Proton und zwei Neutronen. Die Elektronen müssen wir an dieser Stelle nicht berücksichtigen. Den Grund dafür erfahrt ihr gleich.

1p1n + 1p2n = 2p3n. ABER: 2p3n ist ein instabiles Isotop. Das heißt, es zerfällt schnell und ohne äußeren Einfluss in 2p2n, ein Neutron sowie Strahlungsenergie .

Was sind das für Elemente? 1p0n ist Wasserstoff u0022Hu0022. 1p1n und 1p2n sind Isotope des Wasserstoff, die auch für die Fusion genutzt werden und als Deuterium and Tritium bezeichnet werden (sie haben die gleiche Protonenzahl, aber unterschiedlich viele Neutronen) :

Image of Wasserstoff-Isotope — Wasserstoff-Isotope

Wie sieht es mit dieser Reaktion aus? Wäre 2p2n so gefährlich wie radioaktive Abfälle, hätten wir ein ernsthaftes Problem.

Glücklicherweise ist Helium nicht gefährlich (Man verwendet es zur Füllung von Ballons). Nun, da wir die beteiligten Elemente kennen, schauen wir uns die Reaktion noch einmal an:

Image of Gesamte Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion — Gesamte Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion

Warum wird hierbei Energie freigesetzt?

So komisch es auch klingen mag, Helium hat mit einem extra Neutron eine geringere Masse als Deuterium und Tritium zusammen . Ja, wirklich! Indem wir dieselbe Anzahl von Protonen und Neutronen in verschiedenen Konfigurationen anordnen, verliert der Atomkern Masse. Warum?

Die verlorene Masse wurde in Energie umgewandelt, die dann als Wärme und elektromagnetische Strahlung an die Umgebung abgegeben wird. Einsteins berühmte Gleichung E = mc² drückt genau das aus . Wir wandeln Masse in Energie um.

Warum nutzen wir also nicht die Kernfusion, um Energie zu gewinnen?

In der Sonne findet die Fusion im Kern aufgrund des starken Drucks statt, der durch die Schwerkraft verursacht wird. Es wird bis zu 15.000.000°C heiß !

Die gute Nachricht ist, dass wir auch auf der Erde die Kernfusion ablaufen lassen können. Die schlechte Nachricht: Es ist ziemlich kompliziert.

Bis heute verbrauchen alle Fusionsreaktoren mehr Energie als sie produzieren . Das ist natürlich ein Problem: Ein Kraftwerk, das mehr Strom verbraucht als es produziert, ist freilich nutzlos.

Das Verhältnis von Ein- und Ausgangsenergie wird oft als „Q“ bezeichnet. Kernfusion hat eine lange Geschichte, aber bisher haben wir es nicht geschafft, Q=1 zu erreichen :

Image of Leistung von Fusionsreaktoren — Leistung von Fusionsreaktoren

Wie ihr an diesem Diagramm sehen könnt, haben wir Q=1 fast erreicht. Dann sind aber keine Verbesserungen mehr möglich. Warum? Im nächsten Kapitel werden wir die obige Grafik untersuchen, um herauszufinden, was weitere Fortschritte (bisher) verhindert hat. Wir schauen uns auch neue Forschungen an, die auf Q=10 und höher abzielen.

Nächstes Kapitel