Die Deuterium-Tritium-Fusions-Reaktion wird als Quelle schneller

Die Deuterium-Tritium-Fusions-Reaktion wird als Quelle schneller Neutronen genutzt und kann zur
Energiegewinnung in einem Kernfusionsreaktor dienen.
Kernfusion
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Die Deuterium-Tritium-Fusions-Reaktion wird als Quelle schneller Neutronen genutzt und kann zur
Energiegewinnung in einem
Kernfusionsreaktor dienen.
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Die Deuterium-Tritium-Fusions-Reaktion wird als Quelle schneller Neutronen genutzt und kann zur
Energiegewinnung in einem
Kernfusionsreaktor dienen.
Kernfusion bezeichnet eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem schwereren Kern
"verschmelzen". Grundsätzlich kann
diese Reaktion exotherm oder endotherm sein; nennenswert große Wirkungsquerschnitte
(Wahrscheinlichkeit, dass zwischen einem
einfallenden Teilchen und einem anderen Teilchen eine bestimmte Wechselwirkung stattfindet) gibt
es nur bei exothermen
Fusionsreaktionen.
Die Fusion setzt voraus, dass die Coulombsche Abstoßung der beiden Kerne (wegen der
gleichartigen Ladung ihrer Protonen)
überwunden wird. Dafür ist Energie notwendig (Bewegungsenergie der Kerne, welche sich in
Druck äußert (siehe Luftdruck)). Die
Kernfusion, als energetische Kettenreaktion zur Energiegewinnung in Fusionsreaktoren, kommt
deshalb nur in einem Plasma mit
hoher Temperatur und hohem Druck zu Stande (siehe Gastheorie). Wenn ein bestimmter
Mindestabstand der Atomkerne
unterschritten wird (10 − 15 m), bringt die anziehende starke Wechselwirkung durch den
Tunneleffekt die Kerne zum
Verschmelzen. Die freiwerdende Energie tritt als Bewegungsenergie der Reaktionsprodukte (s.
Bild) auf, bei manchen Reaktionen
zusätzlich auch in Form von Gammastrahlung.
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Energiebilanz
Die Energietönung ist durch die Einsteinsche Masse-Energie-Äquivalenzformel E=m·c² angegeben.
Sind die bei der Fusion
entstandenen Kerne/Teilchen leichter als die Ausgangskerne, wird die Massendifferenz in Form von
Energie frei. Solche
exothermen Fusionsreaktionen sind nur im Gebiet der leichten Kerne möglich, weil die
Bindungsenergie pro Nukleon mit
steigender Massenzahl bis etwa 60 zunimmt. Ein starkes lokales Maximum hat sie beim Nuklid
Helium-4. Die für die
Fusionsenergiegewinnung günstigsten Reaktionen (siehe Kernfusionsreaktor) erzeugen daher He-4.
Im Bild oben ist die am
leichtesten einzuleitende dieser Reaktionen, D + T -> 4He + n, dargestellt.
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Kernfusion in Gestirnen
Die Kernfusion ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne. Die meisten Sterne
fusionieren dabei beim so genannten
Wasserstoffbrennen Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium, die dafür nötige
Temperatur liegt bei ca. 10
Millionen Kelvin. Am Ende ihrer Lebenszeit, wenn der Wasserstoff aufgebraucht ist, kommt die
Energie aus der Fusion von
Helium oder noch schwereren Atomkernen. Diese Fusion liefert weniger Energie und benötigt eine
höhere Fusionstemperatur.
Größere Sterne können mit ihrer Masse auch einen stärkeren Gravitationsdruck erzeugen, wodurch
diese am Ende auch schwerere
Elemente fusionieren (bis zur Massenzahl 60). Elemente mit größeren Massenzahlen können
hingegen nicht mehr auf diese Weise
entstehen, da die Fusion der entsprechenden Kerne endotherm ist. Sie werden vielmehr durch
Neutronen- (s- und r-Prozess) und
Protonenanlagerung (p-Prozess) gebildet.
Reaktionen (Auswahl):
* D + T -> 4He + n + 17,588 MeV (größter Wirkungsquerschnitt)
* D + D -> 3He + n + 3,268 MeV
* D + D -> T + p + 4,03 MeV
* 3He + D -> 4He + p + 18,34 MeV
In der Sonne findet u.a. die Proton-Proton-Reaktion statt, eine Folge von Reaktionen, bei der
ebenfalls Helium-4 mit
entsprechendem Energiegewinn entsteht. Zudem findet in der Sonne ein Kohlenstoff-katalysierter
Fusionszyklus statt, der
Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der etwa 1,6% der Energie des Sonnenhaushalts ausmacht.
Die für die Fusion notwendige Temperatur hängt unter anderem vom Druck ab. Da ein ähnlich
starker Druck wie der
Gravitationsdruck in der Sonne auf der Erde nicht erzeugt werden kann, liegt hier die für die
Wasserstofffusion nötige
Temperatur bei etwa 100 Millionen Kelvin.
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Kernreaktion
Eine Kernreaktion ist ein physikalischer Prozess, bei dem durch Zusammenstoß eines Atomkerns
mit einem anderen Kern oder
Teilchen mindestens ein Kern in ein anderes Nuklid und/oder in freie Nukleonen umgewandelt
wird.
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Nuklid
Ein Nuklid ist in der Kernphysik ein Atomkern, der durch eine bestimmte Anzahl von Protonen und
Neutronen gekennzeichnet ist
und damit die Atomart bestimmt. Nuklid bedeutet also Kernsorte.
Die verschiedenen Nuklide ein und desselben chemischen Elements, mit gleicher Zahl von
Protonen aber unterschiedlichen Zahlen
von Neutronen, werden als Isotope dieses Elements bezeichnet. Bis zur internationalen Einführung
des Begriffs Nuklid (ca.
1950) wurde „Isotop“ auch (unkorrekt und verwirrend) in der allgemeinen Bedeutung Kernsorte
gebraucht. Nuklide mit gleicher
Massenzahl (Anzahl an Nukleonen), aber unterschiedlicher Ladung (Ordnungszahl), heißen Isobare
(gleich schwer). Isotone sind
Nuklide gleicher Neutronen- aber unterschiedlicher Protonenzahl.
Kernisomere sind Atome desselben Nuklids, deren Kerne sich bei gleicher Ladung und gleicher
Massenzahl in einem
unterschiedlichen inneren Zustand befinden. Unstabile Nuklide sind radioaktiv und werden
Radionuklide genannt.
In der Natur existieren rund 270 stabile und etwa 70 radioaktive Nuklide. Weit über tausend wurden
künstlich erzeugt.
Die bekannten Nuklide werden in so genannten Nuklidkarten dargestellt.
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Nukleon
Als Nukleonen (latein. nucleus - der Kern) bezeichnet man jene Teilchen, aus denen Atomkerne
bestehen, also Protonen und
Neutronen. Sie gehören zu den Hadronen, da sie aus Quarks zusammen gesetzt sind.
Im erweiterten Sinne werden auch Antiprotonen und Antineutronen als Nukleonen bezeichnet; die
Kerne exotischer Atome werden
im Allgemeinen jedoch nicht mehr Nukleonen genannt.
Jedes Atom, mit Ausnahme des Wasserstoffs und des Helium-3-Isotops (2 Protonen, 1 Neutron),
hat in seinem Kern mindestens
genauso viele Neutronen wie Protonen. Je schwerer ein Kern ist, desto größer ist das Verhältnis von
Neutronen zu Protonen.
Nukleonen sind im eigentlichen Sinne keine Elementarteilchen, da sie eine innere Struktur
aufweisen: Jedes Nukleon besteht
aus drei Quarks.
Proton: 2 Up Quarks + 1 Down Quark
Neutron: 1 Up Quark + 2 Down Quarks
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Atomkern
Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt
werden. Er befindet sich, anschaulich
gesprochen, im Zentrum des Atoms und ist etwa 100.000-mal kleiner als die Elektronenhülle,
konzentriert aber in sich mehr als
99,9 % der Masse des gesamten Atoms. Die Gesamtzahl der Nukleonen im Kern heißt deshalb auch
Massenzahl.
Mit steigender Massenzahl nimmt allgemein die Dichte des Materials zu. Beispielsweise "wiegt"
Lithium (Massenzahl 6 und 7)
0,53 g/ml, Gold (Massenzahl 197) dagegen 19,3 g/ml. Sogenannte schwere Atomkerne gehören
also zu auch
umgangssprachlich/technisch schweren Elementen.
Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolgedessen
ist der Atomkern elektrisch
positiv geladen und kann über die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da
die elektrische Ladung des
Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin
elektrisch neutrales Atom ebenso
viele Elektronen in der so genannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern. Atome mit
einer unterschiedlichen Anzahl
von Protonen und Elektronen sind nach außen hin elektrisch geladen und werden Ionen genannt.
Eine Atomkernsorte (Nuklid) ist durch bestimmte Zahlen von Protonen und Neutronen bestimmt.
Die Zahl der Protonen heißt
Ordnungszahl oder Kernladungszahl. Sie bestimmt, zu welchem Element das Atom gehört. Nuklide
gleicher Ordnungszahl werden als
Isotope bezeichnet. Die Zahl der Neutronen hat nur geringeren Einfluss auf die chemischen
Eigenschaften des Atoms, ist aber
für die Stabilität oder Instabilität (Radioaktivität) des Kerns entscheidend. Nuklide mit gleich vielen
Protonen und
Neutronen, aber unterschiedlichem innerem Anregungszustand werden Isomere genannt.
Bezeichnet werden Nuklide mit dem
chemischen Elementsymbol und der Massenzahl, wie z.B. das häufigste Kohlenstoffisotop C-12
oder das häufigste Eisenisotop
Fe-56 (bei Isomeren noch mit einem Zusatz wie "i"). Noch vollständiger ist die Schreibweise mit
Massenzahl und Ordnungszahl,
126C oder 5626Fe.
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Helium3
+
Helium3
---->
Helium4
+
2 Wasserstoff
Bei der Umwandlung von Wasserstoff zu Helium geht 0,7% der Gesamtmasse verloren. Dies ist der
Anteil, der in Energie
umgewandelt wird.
Bei der Fusion von 1kg Wassersroff zu Helium bedeutet das:
10 hoch 15 Joule
Eine Verbrennung der gleichen Menge ergibt nur:
10 hoch 7 Joule
Das bedeutet eine Fusion ist ungefähr 100.000.000 mal ertragreicher als die einfache Verbrennung.
Um Kernfusion zu ermöglichen ist eine Temperatur notwendig von mindestens 10 Milliarden Grad
Celsius notwendig.
Bei.Temperaturen von über 15 Miliarden Grad Celsius setzt die Fusion von Kohlenstoff, Sauerstoff,
Stickstoff und anderen
Elementen ein.
Alle Elemente, die schwerer als Eisen sind, erzeugen bei der Fusion weniger Energie, als sie
benötigen. Diese Atome können
nur bei Supernovae entstehen.
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Als Plasma bezeichnet man ionisiertes Gas. Dieses Gas besteht zumeist ganz oder zum großen Teil
aus Wasserstoff (den beiden
Wasserstoff-Isotopen Trilithium und Deuterium). Es ist der Ort der Kernfusion in Sternen und
unserer Sonne.
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