Kernfusion - Physik
Kernfusion - Physik
Einleitung
Kernfusion ist die Verschmelzung leichter Atomkerne zu einem schwereren Kern. Dabei kann Energie frei werden. In Sternen ist Kernfusion die natürliche Energiequelle; auf der Erde wird erforscht, wie sich dieser Prozess kontrolliert zur Energiegewinnung nutzen lässt.[1]
In diesem aiMOOC lernst Du die physikalischen Grundlagen kennen: Wasserstoffisotope, Massendefekt, Bindungsenergie, Plasma, Coulombbarriere, magnetischer Einschluss und Trägheitseinschluss. Außerdem vergleichst Du Kernfusion und Kernspaltung und beurteilst Chancen sowie technische Herausforderungen.
Physikalische Grundlagen
Wasserstoffisotope als Brennstoff
Für Fusionsversuche sind vor allem drei Wasserstoffisotope wichtig:
- Protium: Der Kern besteht aus einem Proton.
- Deuterium: Der Kern besteht aus einem Proton und einem Neutron.
- Tritium: Der Kern besteht aus einem Proton und zwei Neutronen; Tritium ist radioaktiv.
Unter irdischen Bedingungen lässt sich die Reaktion zwischen Deuterium und Tritium vergleichsweise leicht auslösen. Sie benötigt dennoch extrem hohe Temperaturen.[2]
Die Deuterium-Tritium-Reaktion
Die zentrale Reaktionsgleichung lautet:
Ein Deuteriumkern und ein Tritiumkern verschmelzen. Es entstehen ein Helium-4-Kern, auch Alphateilchen genannt, und ein schnelles Neutron. Insgesamt werden ungefähr frei. Rund vier Fünftel dieser Energie trägt das Neutron, etwa ein Fünftel das Alphateilchen.[3]
Massendefekt und Bindungsenergie
Die Masse der Reaktionsprodukte ist etwas kleiner als die Masse der Ausgangskerne. Diese Massendifferenz heißt Massendefekt. Nach Einsteins Beziehung
wird der Massendefekt in Energie umgewandelt. Bei leichten Kernen steigt die mittlere Bindungsenergie pro Nukleon durch Fusion an. Deshalb ist der Heliumkern stärker gebunden als die getrennten Ausgangskerne.
Coulombbarriere und Tunneleffekt
Atomkerne sind positiv geladen und stoßen sich elektrisch ab. Diese Abstoßung bildet die Coulombbarriere. Hohe Temperaturen sorgen für große Geschwindigkeiten der Kerne. Dadurch kommen sie einander sehr nahe. Zusätzlich ermöglicht der quantenmechanische Tunneleffekt, dass ein Teil der Kerne trotz zu geringer klassischer Energie fusioniert.
Für eine große Fusionsrate müssen drei Bedingungen gleichzeitig günstig sein:
- Temperatur: Die Teilchen benötigen hohe Bewegungsenergie.
- Teilchendichte: Genügend Kerne müssen zusammenstoßen.
- Energieeinschlusszeit: Das Plasma muss seine Energie lange genug behalten.
Dieser Zusammenhang wird durch das Lawson-Kriterium beschrieben. Häufig betrachtet man das Tripelprodukt aus Dichte, Temperatur und Energieeinschlusszeit.
Kernfusion in Sternen
Im Inneren der Sonne herrschen hoher Druck und eine Temperatur von ungefähr 15 Millionen Kelvin. Dort verschmelzen Wasserstoffkerne hauptsächlich über die Proton-Proton-Kette zu Helium. Ein Teil der frei werdenden Energie erreicht nach vielen Umwandlungen als Strahlung die Sonnenoberfläche und schließlich die Erde.[1]
Die Sternfusion unterscheidet sich von geplanten Fusionskraftwerken: In der Sonne ermöglicht die gewaltige Gravitation eine hohe Dichte und einen sehr langen Einschluss. Auf der Erde muss man das dünne Plasma technisch einschließen und deutlich stärker erhitzen.
Plasma und Einschlussverfahren
Bei sehr hohen Temperaturen werden Elektronen von Atomen getrennt. Es entsteht ein elektrisch leitendes Plasma aus freien Elektronen und Ionen. Kein gewöhnliches Materialgefäß könnte ein Fusionsplasma direkt berühren. Deshalb werden berührungsarme Einschlussverfahren benötigt.
Magnetischer Einschluss im Tokamak
Geladene Plasmateilchen bewegen sich schraubenförmig entlang magnetischer Feldlinien. Ein Tokamak kombiniert ringförmige und poloidale Magnetfelder, sodass das Plasma in einer torusförmigen Kammer eingeschlossen wird. Ein elektrischer Strom im Plasma trägt zur verdrillten Feldstruktur bei.
Beim Tokamak müssen Instabilitäten, Wärmeverluste und der Kontakt des Plasmas mit der Wand kontrolliert werden. Der Divertor leitet Verunreinigungen und einen Teil der Wärme aus dem Plasma ab.
Magnetischer Einschluss im Stellarator
Ein Stellarator erzeugt die verdrillten Magnetfelder vor allem durch komplex geformte äußere Spulen. Dadurch ist kein großer, ständig aufrechterhaltener Plasmastrom wie beim Tokamak nötig. Die Geometrie ist jedoch technisch aufwendig.
Die Forschungsanlage Wendelstein 7-X in Greifswald untersucht, ob ein Stellarator heißes Plasma dauerhaft und stabil einschließen kann.
Trägheitseinschluss mit Lasern
Beim Trägheitseinschluss wird eine winzige Brennstoffkapsel sehr schnell komprimiert und erhitzt. Die Fusion läuft nur extrem kurz ab. Die Trägheit des Materials verhindert während dieser kurzen Zeit, dass es sofort auseinanderfliegt.
An der National Ignition Facility wurde 2022 erstmals in einem kontrollierten Versuch mehr Fusionsenergie freigesetzt als Laserenergie die Brennstoffkapsel erreichte. Dabei handelt es sich um eine wissenschaftliche Energiebilanz am Target, nicht um eine positive Gesamtbilanz der gesamten Anlage.[4]
Vom Plasma zum elektrischen Strom
Ein mögliches Deuterium-Tritium-Fusionskraftwerk würde die Energie der schnellen Neutronen in einer umgebenden Schicht, dem Blanket, in Wärme umwandeln. Ein Kühlmittel könnte die Wärme zu einem Dampferzeuger transportieren. Eine Turbine und ein Generator würden daraus elektrischen Strom erzeugen.
Tritium kommt in der Natur nur in sehr kleinen Mengen vor. Deshalb soll es im Blanket mithilfe von Lithium und Fusionsneutronen erzeugt werden. Ein vereinfachtes Beispiel lautet:
Die Fusionsanlage muss also Plasmaeinschluss, Wärmeabfuhr, Tritiumkreislauf, Strahlenschutz und Materialbeständigkeit gleichzeitig beherrschen.
Kernfusion und Kernspaltung im Vergleich
| Merkmal | Kernfusion | Kernspaltung |
|---|---|---|
| Kernprozess | Leichte Kerne verschmelzen. | Ein schwerer Kern wird gespalten. |
| Typischer Brennstoff | Deuterium und Tritium | Uran-235 oder Plutonium-239 |
| Reaktionsbedingungen | Sehr heißes Plasma und ausreichender Einschluss | Neutroneneinfang und kontrollierte Kettenreaktion |
| Reaktionsfortgang | Erlischt, wenn Temperatur oder Einschluss fehlen. | Kann sich als Kettenreaktion fortsetzen. |
| Radioaktive Stoffe | Tritium und durch Neutronen aktivierte Bauteile | Spaltprodukte und aktivierte Bauteile |
| Technischer Stand | Forschung und Entwicklung | Kommerzielle Kraftwerke sind in Betrieb. |
Fusion ist daher nicht einfach „gefahrlos“. Sie besitzt ein anderes Risikoprofil als Kernspaltung. Besonders wichtig sind der Umgang mit Tritium, energiereichen Neutronen, aktivierten Materialien und großen technischen Energiesystemen.
Chancen und Herausforderungen
Mögliche Chancen sind eine hohe Energiedichte des Brennstoffs, geringe direkte Kohlenstoffdioxidemissionen im Betrieb und das Fehlen einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion. Deuterium ist in Wasser vorhanden; Tritium müsste im Kraftwerk aus Lithium erbrütet werden.
Zentrale Herausforderungen sind ein stabiles brennendes Plasma, hitzebeständige Materialien, eine zuverlässige Tritiumversorgung, wartbare Reaktorkomponenten und eine wirtschaftlich positive Gesamtenergiebilanz. Forschungserfolge an einzelnen Experimenten bedeuten deshalb noch nicht, dass bereits ein marktreifes Fusionskraftwerk existiert.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was geschieht bei einer Kernfusion? (Leichte Atomkerne verschmelzen zu einem schwereren Kern) (!Ein schwerer Atomkern zerfällt spontan) (!Elektronen verschmelzen mit Photonen) (!Ein Molekül wird chemisch verbrannt)
Welche beiden Wasserstoffisotope werden häufig für Fusionsversuche betrachtet? (Deuterium und Tritium) (!Protium und Sauerstoff) (!Helium und Lithium) (!Uran und Plutonium)
Welches Teilchen trägt bei der Deuterium-Tritium-Reaktion den größten Energieanteil? (Das Neutron) (!Das Elektron) (!Das Proton) (!Das Photon)
Welche Gleichung verknüpft Massendefekt und Energie? (E gleich Delta m mal c Quadrat) (!U gleich R mal I) (!F gleich m mal a) (!p gleich F durch A)
Warum stoßen sich zwei leichte Atomkerne zunächst ab? (Sie sind beide positiv geladen) (!Sie besitzen keine Masse) (!Sie bestehen nur aus Elektronen) (!Sie sind beide elektrisch negativ)
Welcher Aggregatzustand liegt in einem Fusionsreaktor vor? (Plasma) (!Festkörper) (!Flüssigkeit) (!Bose-Einstein-Kondensat)
Wozu dienen starke Magnetfelder in einem Tokamak? (Sie schließen das geladene Plasma ein) (!Sie kühlen das Plasma auf Raumtemperatur) (!Sie spalten Uranatome) (!Sie erzeugen chemischen Brennstoff)
Was beschreibt das Lawson-Kriterium? (Die Bedingungen für einen ausreichenden Fusionsenergiegewinn) (!Die Halbwertszeit von Uran) (!Die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer) (!Die Umlaufzeit der Erde)
Wie wird beim Trägheitseinschluss die Fusion ausgelöst? (Eine kleine Brennstoffkapsel wird schnell komprimiert und erhitzt) (!Ein Uranstab wird mit Wasser gekühlt) (!Ein Plasma wird in einer Batterie gespeichert) (!Ein Magnet wird chemisch verbrannt)
Warum ist Tritium für ein künftiges Fusionskraftwerk eine Herausforderung? (Es muss weitgehend im Kraftwerk aus Lithium erzeugt werden) (!Es ist ein stabiles Edelgas) (!Es kommt nur im Erdkern als Metall vor) (!Es verhindert jede Neutronenreaktion)
Memory
| Deuterium | Wasserstoffkern mit einem Proton und einem Neutron |
| Tritium | Radioaktiver Wasserstoffkern mit zwei Neutronen |
| Plasma | Gas aus freien Elektronen und Ionen |
| Tokamak | Ringanlage mit magnetischem Einschluss und Plasmastrom |
| Stellarator | Magnetanlage mit komplex geformten äußeren Spulen |
| Massendefekt | Massendifferenz, die als Energie frei werden kann |
| Blanket | Schicht zur Wärmeaufnahme und Tritiumerzeugung |
| Divertor | Bauteil zur Abfuhr von Wärme und Verunreinigungen |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Funktion |
|---|---|
| Magnetfeld | Hält geladene Plasmateilchen von der Wand fern |
| Laserpuls | Komprimiert beim Trägheitseinschluss eine Brennstoffkapsel |
| Alphateilchen | Gibt einen Teil seiner Energie an das Plasma ab |
| Neutron | Transportiert den größten Teil der Fusionsenergie in das Blanket |
| Lithium | Dient als Ausgangsstoff zur Erzeugung von Tritium |
| Generator | Wandelt mechanische Energie in elektrische Energie um |
Kreuzworträtsel
| Plasma | Wie heißt ein Gas aus freien Elektronen und Ionen? |
| Deuterium | Welches Wasserstoffisotop besitzt ein Neutron? |
| Tritium | Welches radioaktive Wasserstoffisotop besitzt zwei Neutronen? |
| Tokamak | Wie heißt die ringförmige Anlage mit Plasmastrom? |
| Stellarator | Welche Anlage nutzt komplex geformte äußere Magnetspulen? |
| Massendefekt | Wie heißt die Massendifferenz zwischen Ausgangskernen und Produkten? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz Kernfusion: Gestalte ein Begriffsnetz mit den Wörtern Atomkern, Plasma, Deuterium, Tritium, Helium, Neutron und Energie.
- Fusionsreaktion als Modell: Baue mit farbigen Kugeln oder Knete ein Modell der Deuterium-Tritium-Reaktion und beschrifte alle Teilchen.
- Fusion und Spaltung erklären: Formuliere für eine jüngere Klasse einen kurzen Vergleich in höchstens 120 Wörtern.
- Medienanalyse Kernfusion: Wähle eines der eingebetteten Videos und notiere drei fachlich richtige Aussagen sowie eine offene Frage.
Standard
- Energie aus Massendefekt: Berechne mit vorgegebenen Kernmassen den Massendefekt einer Fusionsreaktion und erläutere jeden Rechenschritt.
- Tokamak-Skizze: Zeichne einen beschrifteten Querschnitt mit Plasmakammer, Magnetspulen, Blanket und Divertor.
- Sonnenfusion und Laborfusion: Erstelle eine Vergleichstabelle zu Druck, Temperatur, Dichte, Einschluss und Fusionsreaktion.
- Interview zur Fusionsforschung: Entwickle fünf Fragen und führe ein Interview mit einer Physiklehrkraft, einer Hochschulperson oder einem Energieexperten.
Schwer
- Lawson-Kriterium untersuchen: Erkläre anhand selbst gewählter Beispielwerte, wie Dichte und Energieeinschlusszeit einander ausgleichen können.
- Energiebilanz eines Fusionssystems: Entwirf ein Flussdiagramm von der Heizenergie bis zum elektrischen Strom und kennzeichne alle möglichen Verluste.
- Materialproblem im Fusionsreaktor: Recherchiere, wie schnelle Neutronen Werkstoffe verändern, und entwickle Kriterien für ein geeignetes Wandmaterial.
- Fusionsenergie bewerten: Verfasse ein begründetes Urteil dazu, welche Rolle Fusion in einem zukünftigen Energiesystem spielen könnte, ohne einen Fertigstellungstermin vorauszusetzen.
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Lernkontrolle
- Reaktionsanalyse: Erkläre mithilfe von Ladungszahl und Nukleonenzahl, warum die Deuterium-Tritium-Reaktion beide Erhaltungsgrößen erfüllt.
- Energietransfer: Beschreibe den vollständigen Weg der Fusionsenergie vom Reaktionsort bis zum elektrischen Netz und begründe die Funktion jedes Bauteils.
- Störfallanalyse Plasma: Beurteile, was geschieht, wenn Magnetfeld, Heizleistung oder Brennstoffzufuhr plötzlich ausfallen.
- Methodenvergleich: Vergleiche Tokamak, Stellarator und Trägheitseinschluss anhand von Einschlussprinzip, Betriebsweise und technischen Schwierigkeiten.
- Dateninterpretation: Interpretiere eine Bindungsenergiekurve und leite daraus ab, warum Fusion leichter und Spaltung sehr schwerer Kerne Energie liefern kann.
- Technikfolgenabschätzung: Entwickle ein Kriterienraster für Sicherheit, Ressourcen, Abfall, Kosten, Zeitbedarf und Klimawirkung und wende es auf Fusionsenergie an.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- die Deuterium-Tritium-Reaktion korrekt mit Kernsymbolen darstellen kannst,
- Massendefekt, Bindungsenergie und miteinander verknüpfst,
- Coulombbarriere, Tunneleffekt und Lawson-Kriterium verständlich erklärst,
- Tokamak, Stellarator und Trägheitseinschluss vergleichst,
- den Energiefluss in einem möglichen Fusionskraftwerk beschreibst,
- Chancen und Herausforderungen mit physikalischen Argumenten bewertest,
- Fachbegriffe korrekt nutzt und Quellen kritisch prüfst.
Quellen und Vertiefung
- IAEA: What is Nuclear Fusion?
- Max-Planck-Institut für Plasmaphysik: Kernfusion
- ITER: Deuterium und Tritium
- U.S. Department of Energy: Fusion Ignition
- Wikimedia Commons: Medien zur Kernfusion
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