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Physik · Atomphysik
Wie leichte Kerne zu schwereren verschmelzen, warum dabei Energie frei wird, wie die Coulomb-Barriere überwunden wird und was in der Sonne und in Fusionsreaktoren abläuft.
Bei der Fusion verschmelzen leichte Kerne zu einem schwereren und setzen Energie aus dem Massendefekt frei, wenn sie zuvor die Coulomb-Abstoßung überwinden.
Der fertige Kern ist leichter als die Ausgangskerne zusammen. Dieser Massendefekt wird als Energie frei. → Ausführlich in: Kernkräfte
²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeVDeuterium-Tritium-Reaktion
Die Ausgangskerne wiegen zusammen etwa 5,03 u, die Produkte sind um 0,0189 u leichter, also um rund 0,38 %. Das Neutron trägt etwa 14,1 MeV, der Heliumkern etwa 3,5 MeV.
| Vergleich | Fusion (D-T) | Spaltung (²³⁵U) |
|---|---|---|
| pro Reaktion | 17,6 MeV | etwa 200 MeV |
| pro Nukleon | etwa 3,5 MeV |
| etwa 0,85 MeV |
Atomkerne sind positiv und stoßen sich ab. Nähern sie sich auf wenige Femtometer, übernimmt die starke Kernkraft und bindet sie. Es ist wie bei zwei Magneten mit gleichen Polen, die du erst mit Kraft zusammenpressen musst.
Dafür brauchen die Kerne viel Bewegungsenergie: Temperaturen von Millionen Grad und hohen Druck. Bei Millionen Grad sind Kerne und Elektronen getrennt, ein Plasma.
Der Tunneleffekt hilft, denn Kerne durchdringen die Barriere auch mit weniger Energie. Ohne ihn wäre es selbst in der Sonne zu kühl.
Auf der Erde fehlt der Schweredruck der Sonne, deshalb braucht man etwa 100 Millionen Grad. Das Plasma wird im Magnetfeld gehalten oder per Laser kurz verdichtet.
Netto verschmelzen vier Protonen zu einem Heliumkern, dabei werden etwa 26,7 MeV frei. Das ist die Proton-Proton-Kette, die in der Sonne dominiert.
Die Ladung bleibt erhalten: vier Protonen (+4) werden zu ⁴He (+2) und zwei Positronen (+2). Die Positronen annihilieren mit Elektronen zu γ-Strahlung, die Neutrinos entweichen fast ungehindert. → Ausführlich in: Antiteilchen
Fusion liefert nur Energie, solange das Produkt näher am Maximum der Bindungsenergie pro Nukleon liegt, also bis etwa Eisen. → Ausführlich in: Kernkräfte
Schwerere Elemente entstehen kaum durch Fusion, sondern durch Neutroneneinfang, etwa in alten Riesensternen, Supernovae und Neutronensternverschmelzungen.
Oberhalb von Eisen kostet Fusion Energie (endotherm). Fusion kann also exotherm und endotherm sein, je nach Masse der Kerne.
Bisher gelingt der Einschluss nur kurz. Die Fusion liefert noch keinen kommerziellen Strom.
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeSage vorab, welche Teilchen bei der D-T-Fusion entstehen. Lies dann an der Kurve ab, warum sowohl Fusion leichter als auch Spaltung schwerer Kerne Energie freisetzt.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
