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Die Kernfusion beschreibt die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren Kernen, wobei durch den Massendefekt gewaltige Energiemengen freigesetzt werden. Sie ist der fundamentale Prozess, der die Sonne und andere Sterne zum Leuchten bringt.
Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung von zwei leichten Atomkernen zu einem schwereren Kern. Dieser Prozess ist das energetische Gegenstück zur Kernspaltung. Während bei der Spaltung schwere Kerne (wie Uran) zerlegt werden, werden bei der Fusion leichte Elemente (meist Wasserstoff-Isotope) kombiniert.
Die treibende Kraft hinter der Energiefreisetzung ist der Massendefekt. Die Masse des neu entstandenen Kerns ist geringer als die Summe der Massen der ursprünglichen Einzelteile. Diese 'verlorene' Masse wird gemäß Einsteins berühmter Formel E = mc² direkt in Energie umgewandelt. Da die Bindungsenergie pro Nukleon (Kernbaustein) bei leichten Kernen mit zunehmender Massenzahl stark ansteigt, wird bei der Fusion besonders viel Energie frei.
Damit zwei Kerne verschmelzen können, müssen sie die Coulomb-Barriere überwinden. Da Atomkerne positiv geladen sind, stoßen sie sich elektrostatisch ab. Nur bei extrem hohen Temperaturen (Millionen Grad Celsius) und hohem Druck bewegen sich die Kerne so schnell, dass sie sich nahe genug kommen, damit die starke Kernkraft wirken kann. Diese Kraft hat eine sehr kurze Reichweite, ist aber stark genug, um die Kerne gegen die elektrische Abstoßung zusammenzuhalten.
In unserer Sonne verschmelzen im sogenannten Proton-Proton-Zyklus hauptsächlich Wasserstoffkerne zu Helium-4. Ein interessantes Detail für die Medizinphysik ist, dass bei diesen Prozessen auch Antiteilchen entstehen können. So werden bei der Fusion von Protonen unter anderem Positronen (die positiv geladenen Antiteilchen des Elektrons) emittiert, die für die PET-Bildgebung in der Medizin eine zentrale Rolle spielen.
Energetisch gesehen ist die Kernfusion nur bis zum Element Eisen-56 exotherm, das heißt energieliefernd. Eisen besitzt die höchste Bindungsenergie pro Nukleon und ist somit der stabilste Kern. Für die Verschmelzung von Elementen, die schwerer als Eisen sind, müsste Energie aufgewendet werden (endothermer Prozess), weshalb diese nur in extremen astrophysikalischen Ereignissen wie Supernovae entstehen.
Im Vergleich zur Kernspaltung bietet die Fusion theoretische Vorteile: Der Brennstoff (Wasserstoff) ist nahezu unbegrenzt verfügbar, und es entstehen keine langlebigen radioaktiven Abfallprodukte. Die technische Herausforderung liegt jedoch darin, das Millionen Grad heiße Plasma stabil einzuschließen, was bisher nur für sehr kurze Zeiträume gelingt.
