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Kernfusion

Kernphysik 2
Anwendung: Nutzung der Kernenergie

Die Kernfusion bildet die zweite Möglichkeit der Energiegewinnung aus Kernenergie.

Merke

Kernfusion ist die Verschmelzung von leichten Kernen zu einem schwereren Atomkern.

Wie bereits angesprochen, steigt bei der Fusion die Bindungsenergie pro Nukleon an. Die dabei frei werdende Energie $\Delta E$ ist gerade die Differenz zwischen der Bindungsenergie des entstehenden Kerns und der Summe der Bindungsenergien der fusionierenden Kerne.

Kernfusionsprozesse

Ausgewählte Beispiele von Fusionsprozessen $\Delta E$
$^1_1H + ^1_1H \longrightarrow  ^2_1H + ^0_1e^{+} + \nu$ 1,2 MeV
$^1_1H + ^2_1H \longrightarrow  ^3_2He + \gamma$ 5,5 MeV
$^3_2He + ^3_2He \longrightarrow  ^4_2He + 2^1_1H$  12,8 MeV

$^2_1H + ^2_1H \longrightarrow  ^3_1H + ^1_1H$

4,0 MeV

$^2_1H + ^2_1H \longrightarrow  ^3_2He + ^1_0n$

3,3 MeV

Zum Beispiel laufen die ersten drei aufgeführten Fusionsreaktionen innerhalb der Sonne ab.

Gut zu wissen

Man bezeichnet das Wasserstoff-Isotop $^2_1H$ auch als Deuterium und $^3_1H$ als Tritium.

Berechnung des Energiebetrags $\Delta E$

Die Berechungsmethoden und Herleitungen sind hier die gleichen wie im Fall der Kernspaltung. Wir führen sie nochmal an:

Methode

Methode 1: Berechnung aus Kernmassen

(siehe unteres Video und/oder Text Kernspaltung)

Methode 2: Berechnung aus Kernbindungsenergien

Diese 2. Methode ist natürlich ganz besonders einfach, wenn die Bindungsenergien der beteiligten Kerne bekannt sind. Die freigesetzte Energie $\Delta E$ ist

$\Delta E=E_B(entstandener Kern)-(E_B(1)+E_B(2))$,

wobei $(E_B(1)+E_B(2))$ die Summe der Bindungsenergien der fusionierenden Kerne ist.

Folgendes Beispiel aus der Tabelle zeigt, wie man mit der Methode 2 die Energiemenge berechnet.

Beispiel

$^2_1H + ^2_1H \longrightarrow ^3_2He + ^1_0n$

$E_B(^3_2He)=7,718 MeV$

$E_B(^2_1H)=2,225 MeV$

$\Rightarrow \Delta E=E_B(^3_2He)-2\cdot E_B(^2_1H)=3,268 MeV \quad (\approx 3,3 MeV)$

Fusionsreaktor & Probleme bei der Entwicklung

Merke

In einem Fusionsreaktor findet kontrollierte Kernfusion statt. Die so gewonnene Energie wird in elektrische Energie umgewandelt.

Die entscheidende Frage bei der Realisierung einer Kernfusion ist, welche Bedingungen vorherrschen müssen, damit eine Fusionsreaktion überhaupt stattfindet. Zwei wesentliche Aspekt sind zu beachten:

  • Damit leichte Kerne fusionieren können, müssen sie auf einen so kurzen Abstand gebracht werden, in dem die kurzreichweitige Kernkraft wirksam ist. Die Kernkraft führt nur dann zur gewünschten Anziehung zwischen den Nukleonen.
  • Die Coulomb-Abstoßung zwischen den Protonen muss beim Fusionsprozess überwunden werden.

Wie kann man diese Bedingungen nun erfüllen?

Um die Kerne auf solch kleine Abstände zu bringen, müssen die Kerne auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden (->Teilchenbeschleuniger). Einer hohen Geschwindigkeit entspricht eine äquivalent große kinetische Energie der Kerne. Diese Energien lassen sich auch bei extrem hohen Temperaturen erreichen.

Bei derartig hohen Temperaturen, die übrigens in der Sonne natürlich vorkommen, liegt folgende Problematik vor:

Die Materie liegt in verdampfter Form vor und man hat es mit einem Zustand voller Ionen (Gas aus positiven Ionen und Elektronen) zu tun. Man bezeichnet diesen Extremzustand der Materie als Plasma. Der dabei entstehende Plasmadruck muss in einem Fusionsreaktor kompensiert werden, um eine Expansion zu verhindern und so kontrollierte Fusion zu ermöglichen.

Man versucht daher das Plasma durch Magnetfelder einzuschließen. Dies kann man aber heutzutage noch nicht über hinreichend lange Zeitintervalle erreichen.

In diesem Video gehen wir auf eine typische Aufgabe zum Fusionsreaktor ein:

Video: Kernfusion

Dargestellt wird hier die Kernfusion mit einigen typischen Kernfusionsprozessen. Darüber hinaus wird gezeigt, wie man rechnerisch den Energiebetrag ermittelt. Und es wird der Fusionsreaktor sowie Probleme bei seiner Verwirklichung besprochen.
Lückentext
Deuterium ($^2_1H$) und Tritium ($^3_1H$) können zu Helium fusionieren:
$^2_1H + ^3_1H \longrightarrow ^4_2He + ^1_0n$
Folgenden Angaben stehen zur Verfügung
Neutron: 1,008665 u
Deuterium: 2,013554 u
Tritium: 3,015501 u
Helium-4: 4,001507 u
Die bei der Reaktion frei werdende Energie $\Delta E$ lautet: MeV
0/0
Lösen

Hinweis:

Bitte füllen Sie alle Lücken im Text aus. Möglicherweise sind mehrere Lösungen für eine Lücke möglich. In diesem Fall tragen Sie bitte nur eine Lösung ein.

Berechne die Energie in MeV und runde auf eine Stelle hinter dem Komma.

Vorstellung des Online-Kurses Atomphysik und KernphysikAtomphysik und Kernphysik
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