Kernfusion

Was bedeutet Kernfusion?

Kernfusion ist ein physikalischer Prozess, bei dem zwei Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen, wobei Energiemengen freigesetzt oder aufgenommen werden. Kernfusion ist auch verantwortlich dafür, dass die Sonne ebenso wie leuchtende Sterne Energie abstrahlen.

Wie funktioniert Kernfusion?

Voraussetzung für eine Kernfusion ist ein ausreichend großer Wirkungsquerschnitt. Dabei handelt es sich um das Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Wechselwirkung zwischen zusammenstoßenden Kernen eintritt. Dazu ist es meist notwendig, dass die Atomkerne mit sehr hoher Energie aufeinander prallen: Denn fliegen zwei Kerne mit Geschwindigkeiten von mehr als 1000 km/s aufeinander zu, werden die elektrischen Abstoßungskräfte zwischen positiv und negativ geladenen Kernen überwunden. Solche Geschwindigkeiten erhalten Teilchen bei Temperaturen um 100 Millionen °C – wie sie z.B. im Sonneninneren vorherrschen. Bei solchen Temperaturen sind die Atome vollständig ionisiert. Das bedeutet, dass sämtliche Elektronen nicht mehr an die Atomkerne gebunden sind und sich die Teilchen frei bewegen können. Diesen Zustand der Materie bezeichnet man als Plasma.

Durch Kernfusion können riesige Energiemengen freigesetzt werden. Dies liegt daran, dass Masse und Energie äquivalent zueinander sind. Entsteht z.B. durch die Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium in der Sonne ein riesiger Massedefekt, wird entsprechend Energie in Form von Strahlung freigesetzt.

Inwiefern ist die durch Kernfusion freigesetzte Energie nutzbar?

Exotherme, also Energie abgebende, Fusionsreaktionen sollen zukünftig in Fusionsreaktoren zur Stromerzeugung genutzt werden. Hauptziel der Fusionsforschung ist es daher, aus der Verschmelzung zweier Kerne in einem Kernfusionskraftwerk Energie zu gewinnen. Allerdings kann die Kernfusion noch nicht kontrollierbar durchgeführt werden. Experten rechnen damit, dass der erste wirtschaftlich nutzbare Reaktor nicht vor 2050 entstehen wird.

Unter den Bedingungen auf der Erde verschmelzen die Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium am besten. Deuterium ist in nahezu unendlichen Mengen im Meerwasser zu finden. Tritium ist ein radioaktives Gas, welches zwar in der Natur nicht vorkommt, dafür aber in großen Mengen aus Lithium gewonnen werden kann, welches reichlich vorhanden ist. Bei der Verschmelzung von Deuterium und Tritium entsteht ein Helium-Kern. Außerdem wird ein Neutron frei sowie eine riesige Menge an nutzbarer Energie. Mit dieser Methode könnte man aus einem Gramm Brennstoff etwa 90.000 kWh Energie herstellen, was in etwa der Verbrennungswärme von 11 Tonnen Kohle entspricht.

Da Fusionsbrennstoffe günstig und auf der Erde gleichmäßig verteilt sind, würde ein Fusionskraftwerk eine verhältnismäßig kostengünstige CO2-freie Methode der Energiegewinnung darstellen. Allerdings sind solche Fusionsreaktoren als Alternative für die Energiegewinnung auch umstritten, da sie radioaktiven Müll produzieren würden und zur Erzeugung von kernwaffenfähigem Material missbraucht werden könnten.