Techniklexikon

Kernfusion

Gilt für die ferne Zukunft als eine Alternative zur Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie. Voraussetzung ist, daß es gelingt, in einem »Fusionsreaktor« ein Plasma aus Wasserstoffgas auf etwa 100 Mill. °C aufzuheizen und eine gewisse Zeitlang mit Hilfe von Magnetfeldern einzuschließen. Unter solchen Bedingungen soll es zur K. und deren Aufrechterhaltung kommen, sofern genügend Brennstoff nachgeliefert wird. Wie in der Sonne, wo ständig Wasserstoff in das ebenfalls gasförmige Element Helium (Edelgase) umgewandelt wird, sollen in einem Fusionsreaktor Deuterium (Schweres Wasser, dessen Kern aus einem Proton und einem Neutron (Atom) gebildet wird) und Tritium (ein Proton, zwei Neutronen) zu Helium verschmolzen werden. Bei der Verschmelzung von 1 g Wasserstoff entsteht eine Energie von etwa 150 Mill. Kilokalorien (Watt). Zum Vergleich: Bei der Verbrennung von 1 g Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser werden 34 kcal frei. Werden die Plasmateilchen genügend dicht und wärmeisoliert oberhalb einer Temperatur von 100 Mill. Grad zusammengehalten, fusionieren die Wasser-stoffkerne. Als zu erreichende kritische Größe gilt ein gewisser Wert des Produktes von Temperatur, Gasdichte und Wärmeisolation. Von ihm war man 1970 im Experiment noch um einen Faktor 25000 entfernt, Ende 1989 fehlte noch ein Faktor 8 zur Zündung. Dennoch scheint es fraglich, ob die K. jemals großtechnisch genutzt werden kann. Der gemeinsame europäische Großversuch, an dem sich auch die Bundesrepublik Deutschland beteiügt, trägt den Namen »Joint European Torus« (JET). Verschmelzen zweier Kerne über einen meist hochangeregten Zwischenzustand (Compoundkern) nach Überwindung der Coulomb-Barriere V_C der Kerne entweder in einem Streuprozess mit einer Projektilenergie E₁ > V_C oder durch thermische Energie. Die Bildung des Compoundkerns erfolgt in einer Zeitskala von 10^-21 s. Im Gegensatz zur tiefinelastischen Streuung, deren Endprodukte vom Eingangskanal abhängen, gelangt der Compoundkern innerhalb von 10^-19 s für alle inneren Freiheitsgrade in einen Gleichgewichtszustand, der sich innerhalb von < 10^-18 s durch Verdampfung meist von Neutronen und anschliessender Gammaemission in den Grundzustand abregt oder spaltet.

Die Fusion schwerer Ionen führt zu Compoundkernzuständen mit hohen Drehimpulsen von maximal I_max » (R₁ + R₂)(2m₁₂(E₁ - V_C) / )^{1 / 2}. Hierbei sind V_C = 1,44 Z₁Z₂/(R₁+R₂) MeV die Coulomb-Barriere, R_i = 1,2 × A_i^{1 / 3} fm die Kernradien, A_i, Z_i die Massenzahlen und Kernladungen und m₁₂ = A₁A₂ / (A₁ + A₂) die reduzierte Masse. Für ⁴⁰Ar als Projektil mit E₁ » 400 MeV ergibt sich für Target-Kerne um A = 200 der Kernspin I_max zu »170 .

Kernfusion dient auch zur Bildung synthetischer Elemente wie z.B. ²⁰⁸Pb(⁷⁰Zn,n)²⁷⁷112 mit einer Lebensdauer von 240 ms. Die Fusionsreaktionen leichter Kerne haben grosse Bedeutung für die Kerntechnik.