Physik - kernfusion

Physikreferat   Kernfusion :   Bei der Kernfusion treffen zwei Wasserstoffkerne bzw. Wasserstoffisotope (Deuterim,Tritium) mit gewaltiger Wucht aufeinander, verschmelzen und setzen dabei große Energien frei. Dies geschieht unter sehr hohem druck und starker Hitze ( mindestens 100 Millionen Grad). Durch die Hitze wird das Atom beschleunigt und das Elektron aus seiner Kreisbahn um das Atom gerissen. Es bleibt also nur der Kern, der nun elektrisch geladen ist. Darüber hinaus verleiht die Hitze dem Kern die nötige Geschwindigkeit um die abstoßenden Kräfte zwischen zwei Kernen zu überwinden und erfüllt somit eine der Grundbedingungen für die Fusion.

Eine andere Bedingung um eine Kernfusion hervorzurufen ist der starke Druck. Dieser sorgt dafür dass das Plasma (sehr heißes Gas das aus Atomkernen und Elektronen besteht ) über eine gewisse Dichte verfügt um ein Aufeinandertreffen der Kerne zu verursachen.   Kernfusion auf der Sonne :   Im Kern der Sonne sind alle Bedingungen für eine Kernfusion gegeben. Dort herrscht durch die Gravitätion ein enorm hoher Druck, starke Hitze und es sind genügend Wasserstoffkerne bzw. Isotope vorhanden. Der Fusionsvorgang auf der Sonne geschieht wie folgt: Im einfachsten Fall treffen zwei Protonen frontal aufeinander, setzen Energie frei und verschmelzen zu einem Deuterium Kern (ein Proton, ein Neutron).

Es können aber auch zwei Deuteriumkerne aufeinandertreffen, sogar mit höherer Wahrscheinlichkeit, da ihre Masse größer ist, und zu einem Heliumkern (zwei Protonen, zwei Neutronen) verschmelzen. Trotz des Drucks der auf das Sonneninnere wirkt sind die Kerne nicht dicht aneinander gedrängt, sondern sie verschaffen sich durch die Stärke ihrer Explosionen, durch die Hitze, sehr viel Platz. Im Durchschnitt kann ein Proton 10000 Jahre durch den Kern der Sonne fliegen ohne mit einem anderen Proton zu kollidieren. Das Wechselspiel zwischen Druck und Hitze regelt den Abbrand der Kerne: Wenn weniger Kerne fusionieren, verlieren sie an Hitze und die Gravitation presst sie zusammen, was die Anzahl der Kollisionen erhöht. Finden zu viele Fusionen statt, verursacht das ein Ausdehnen des Plasmas und die Wahrscheinlichkeit einer Fusion verringert sich.         Seit der ersten Zündung einer Wasserstoffbombe 1952 versuchen Kernfusionsforscher eine Kernverschmelzung künstlich hervorzurufen.

Die ersten Erfolge in diesem Bereich waren mit dem Wendelstein 7 - AS und dem Tokamak (einer Rußischen Entwicklung ) zu verzeichnen. Diese beiden Geräte lösten eines der Hauptprobleme: Den Einschluß des Plasmas (Deuterium und Tritium werden benutzt, da sie leichter als ein Proton fusionieren), welches eine Temperatur von mindestens 100 Mio. Grad Celsius haben muss. Der Tokamak sowie auch der Wendelstein 7- AS bilden ein durch eine Spule erzeugtes Magnetfeld um das Plasma, das heißt dass die Wand der Spule keinen Kontakt zum Plasma hat, es praktisch von einem Vakuum umgeben in der Spule schwebt. Zum erhitzen der Deuterium-Tritium Mischung werden jedoch zwei verschieden Techniken benutzt. Der Tokamak schickt eine starke Spannung durch das Plasma, welches wie ein Wiederstand wirkt und sich aufheizt, was gleichzeitig auch die “Käfig”-wirkung des Magnetfeldes verstärkt.

Der Wendelstein beschießt das Plasma mit Wasserstoffatomen, erzeugt also Hitze durch Bewegungsenergie. Später fasste man den Entschluss das Plasma im Tokamak zusätzlich auch mit Wasserstoff zu beschießen und erreichte eine Temperatur von 80 Mio. Grad, welche leider noch nicht zur einer Kernfusion führte. Bis dahin suchte man immer noch nach einer Möglichkeit das Plasma im Reaktor auf eine fusionstaugliche Temperatur zu heizen. Aber man beschränke sich in der Forschung nicht nur auf diese Methode, sondern suchte nach Alternativen wie zum Beispiel dem Laser. Prinzip: In einer Panzerkugel beschießt man tiefgefrorene Wasserstoffkügelchen mit mehreren sehr starken Laserkanonen zur selben Zeit.

Die Oberfläche verdampft, eine Schockwelle wird ausgelöst, starker Druck entsteht und die Fusion wird gezündet. Doch bisher erbringen die Laserkanonen nicht die erforderlich Leistung. Die größte Hoffnung setzt man auf den Fusionsreaktor JET, welcher nach dem Prinzip des Tokamaks funktioniert. Das aus Deuterium und Tritium bestehende Plasma soll durch Strom und mit dem Beschuss von Wasserstoffatomen aufgeheizt werden. Darüber hinaus will man Radiowellen auf das Plasma konzentrieren und somit eine Temperatur von 100 Mio. Grad erreichen.

Da Jet zur Energiegewinnung noch nicht geeignet ist, will man einen Nachfolger bauen, dessen Innenseite zusätzlich mit Lithium ausgekleidet ist um selbst Tritium zu erbrüten, da die Vorkommen dieses Stoffs in der Natur sehr gering sind. Wenn der Kernreaktor tatsächlich funktionieren sollte, sähe der Fusionsvorgang folgendermaßen aus: Ein Tritiumkern und ein Deuteriumkern würden zu einem Heliumkern fusionieren und dabei ein Neutron abgeben. Dieses würde dann auf den Lithiummantel treffen, ihn aufheizen und es würde neues Tritium entstehen. Die am Lithiummantel entstandene Hitze könnte dann über einen Kühlkreislauf abgeführt werden und damit Wasserdampf erzeugen welcher eine Turbine antreibt.  

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