Kernfusion

Kernfusion verbindet leichte Atomkerne zu schwereren Kernen. Bei hinreichend leichten Elementen können die Produkte pro Nukleon stärker gebunden sein, sodass Energie frei wird. Die zentrale Schwierigkeit besteht darin, positiv geladene Kerne nahe genug zusammenzubringen, damit die kurzreichweitige Kernkraft wirken kann.

Die Coulomb-Barriere

Zwei positiv geladene Kerne stoßen sich elektrisch ab. Höhere Temperatur erhöht die typischen kinetischen Energien der Ionen und die Zahl enger Begegnungen, beseitigt die Barriere aber nicht. Quantentunneln ist entscheidend: Auch bei klassischer Energie unterhalb des Maximums der elektrostatischen Barriere besteht eine endliche Wahrscheinlichkeit, Fusionsabstände zu erreichen.

Hohe Temperatur hilft, doch Tunneln bleibt Teil der Physik. Fusion findet nur statt, wenn sich Kerne auf extrem kleine Abstände annähern.

Eine Referenzreaktion: Deuterium und Tritium

Eine häufig diskutierte Laborreaktion ist ²H + ³H → ⁴He + n. Sie setzt etwa 17,6 MeV frei: ungefähr 3,5 MeV erhält der Heliumkern und 14,1 MeV das Neutron. Das Neutron ist elektrisch neutral und wird deshalb nicht zusammen mit dem geladenen Plasma magnetisch eingeschlossen.

Fusion setzt Energie frei, wenn leichte Kerne zu stärker gebundenen Produkten übergehen. Das bloße „Zusammenfügen von Kernen“ ist nicht die Ursache.

Temperatur, Dichte und Einschlusszeit zählen gemeinsam

Ein Fusionsplasma muss genügend reagierende Ionen mit geeigneter Energieverteilung lange genug enthalten, damit die Fusionsleistung mit den Energieverlusten konkurrieren kann. Das ist die Logik hinter dem Lawson-Kriterium und verwandten Größen wie dem Tripelprodukt. Eine spektakuläre Temperatur allein ist kein Beleg dafür, dass ein Plasma netto Energie erzeugt.

Sterne und Laborplasmen sind nicht derselbe Fall

Die Sonne wird durch Gravitation eingeschlossen und wandelt Wasserstoff hauptsächlich über die Proton-Proton-Kette in Helium um. Terrestrische Fusionsforschung konzentriert sich oft auf andere Reaktionen und nutzt magnetischen Einschluss oder schnelle Kompression. Die technischen Wege unterscheiden sich, doch die Grundphysik bleibt gleich: Es müssen genügend enge Kernbegegnungen stattfinden, bevor das Plasma seine nutzbare Energie verliert.

Durchgerechnete Beispiele

1. Nukleonenbilanz prüfen

Für ²H + ³H → ⁴He + n ergeben die Massenzahlen links 2 + 3 = 5 und rechts 4 + 1 = 5. Auch die Ladung bleibt erhalten: 1 + 1 = 2 + 0.

2. Warum reicht Temperatur nicht aus?

Die Temperatur beschreibt die Energieverteilung der Ionen, doch der Fusionsertrag hängt zusätzlich von Dichte und Einschlusszeit ab. Ein sehr heißes, aber extrem dünnes und kurzlebiges Plasma kann dennoch nur wenig Fusion erzeugen.

3. Einen Q-Wert verwenden

Beträgt der Massendefekt einer Reaktion 0,010 u und gilt 1 u·c² ≈ 931,5 MeV, dann folgt Q ≈ 0,010×931,5 = 9,32 MeV.