Kernfusion

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 c² (≈9·10^16 m²/s²) sehr groß ist, reichen winzige Massenverluste für gewaltige Energiemengen. Die Gleichung gilt auch umgekehrt: Mit genügend Energie kann Masse erzeugt werden, was z.B. am CERN zur Teilchenforschung genutzt wird.

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. Zusätzlich entstehen zwei Neutrinos, die für die Impulserhaltung notwendig sind, und die gesamte Ladung bleibt durch die Positronenemission erhalten.

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.

Die Kernspaltung ist der zur Fusion umgekehrte Prozess: Ein schwerer Kern (z.B. Uran-235) wird durch Neutronenbeschuss in mittelschwere Kerne (z.B. Barium, Krypton) gespalten. Dabei werden weitere Neutronen und große Energiemengen (ca. 200 MeV pro Spaltung) freigesetzt. Die freien Neutronen können wiederum andere Kerne spalten, was eine exponentielle Kettenreaktion auslöst.

In Kernreaktoren wird die Kettenreaktion durch Steuerstäbe, die Neutronen absorbieren, kontrolliert. Die Spaltwärme heizt ein Kühlmittel auf, das Dampf erzeugt, der eine Turbine antreibt – der Wirkungsgrad beträgt etwa 35%. Unkontrolliert führt die Kettenreaktion zu Atombombenexplosionen oder schweren Reaktorunfällen. Die spontane Spaltung (natürliche Radioaktivität) nutzt man zur Altersbestimmung (z.B. C14-Methode), während die induzierte Spaltung gezielt zur Isotopenproduktion (u.a. für die Medizin) eingesetzt wird.

Die Halbwertszeit t1/2 gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte der Atomkerne einer radioaktiven Probe zerfallen ist. Das Zerfallsgesetz lautet N(t) = N0 * e^(-λ t) mit der Zerfallskonstanten λ = ln2 / t1/2. Für die Medizin ist die Halbwertszeit essenziell: So beträgt sie z.B. für das PET-Nuklid F-18 nur 110 Minuten, was eine zügige Verarbeitung erfordert.