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Kernfusion


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Als Kernfusion wird der Prozess des Verschmelzens zweier zu einem schwereren Kern bezeichnet. Je nachdem Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Zumeist ist die positiv wenn das Fusionsprodukt eine Ordnungszahl von mehr als etwa 60 bis hat und negativ bei noch schwereren Kernen. Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem . In der Regel wird bei einer neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie Neutron ein Proton ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie - und Impulserhaltung erforderlich da der neu Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann die kinetische Energie die die beiden Ausgangskerne der Verschmelzung haben variabel ist.

Besonders viel Energie wird frei wenn und überschwerer Wasserstoff ( Deuterium und Tritium ) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt 4 Promille das heißt die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie aus Einsteins Gleichung E=mc² als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen. Da c² sehr große Zahl ist setzt schon die kleiner Mengen von Deuterium und Tritium gewaltige frei.

Die Kernfusion von Wasserstoff über mehrere zu Helium ist die Energiequelle der Sterne etwa unserer Sonne .

Auf der Erde wird die Kernfusion allem in vier Anwendungsbereichen genutzt:

  • Im Labor zur Grundlagenforschung . Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers auf hohe Energien gebrachte Atomkerne auf Target geschossen wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen
  • In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima -Bombe eine Sprengkraft von ca. 10 bis etwa 300 Kilotonnen TNT haben entfalten Kernfusionswaffen bis zu 100.000 TNT.
  • Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Farnsworth-Hirsch_Fusor )
  • Zur zivilen Energie- und Stromerzeugung (geplant) durch Kernfusionsreaktoren . Am weitesten fortgeschritten ist hier das Joint European Torus (kurz JET) das für einige Sekunden Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen konnte und dabei einige Megawatt produzierte. Ab 2015 soll der internationale Versuchsreaktor ITER in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch vor 2030 bis 2050 den Bau eines Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten zu erzeugen z. B. mittels kalter Fusion oder Bubble-Fusion . Einige Versuche wie die der Bubblefusion inzwischen von unabhängiger Seite verifiziert werden.

Reaktionen (Auswahl)

  • D + T → He-4 + + 17.588 MeV
  • D + D → He-3 + + 3.268 MeV
  • D + D → T + + 4.03 MeV
  • He-3 + D → He-4 + + 18.34 MeV

D steht in den Formeln für T für Tritium He-3 und He-4 für Heliumisotope mit 1 bzw. 2 Neutronen n ein Neutron und p für ein Proton.



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