Broschüre "Kernfusion" - KIT - PL FUSION

2. Grundlagen der Kernfusion
2.1. Plasmaphysik
Energie kann weder aus dem Nichts
erzeugt werden, noch kann man
Energie vernichten. Das fundamentale
physikalische Prinzip der Energieerhaltung
bedeutet, dass Energie in
einem abgeschlossenen System in
ihrer Summe konstant bleibt. Sie
kann lediglich von einer Form in eine
andere umgewandelt werden – zum
Beispiel mit dem Ziel, sie besser
nutzbar zu machen. Masse ist gemäß
der Einstein-Formel E = mc2 eine der
vielen möglichen Erscheinungsformen
von Energie. Bei Kraftwerken,
die auf Verbrennung beruhen, wandelt
man zum Beispiel Kohlenstoffatome
durch Oxidation mit dem Luftsauerstoff
in Kohlendioxidmoleküle
um. Diese – genauer: deren Elektronenhüllen
– haben einen tieferen
Energiezustand bzw. eine geringere
Masse als die Summe beider Ausgangsstoffe.
Die Energie- bzw. Massendifferenz
ist in der Form von Wärme
zum Antrieb von Stromgeneratoren
nutzbar.
Bei der Kernenergie bedient man sich
des gleichen Prinzips, nur tritt hier
die erheblich stärkere Bindungskraft
innerhalb der Atomkerne an die Stelle
der Energien der Elektronenhülle:
Protonen und Neutronen sind im
Atomkern viele Millionen mal stärker
aneinander gebunden als die
Elektronenhülle an ihren Kern. Dementsprechend
ergiebiger und Ressourcen
schonender ist die Kernenergie.
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Die Kernbausteine Proton und Neutron
sind bei den Elementen des
Periodensystems verschieden stark
aneinander gebunden. Die Kurve der
Bindungsenergie zeigt ein ausgeprägtes
Minimum (Abb. 1). Diese Eigenschaft
der Materie lässt die Energieerzeugung
durch zwei vollkommen
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gegensätzliche kernphysikalische Mechanismen
zu: einerseits durch die
Spaltung von schweren Atomkernen
– wie Uran und Plutonium – und andererseits
durch die Fusion – die Verschmelzung
– leichter Kerne wie
Deuterium und Tritium. In beiden Fällen
liegen die Endprodukte der jeweiligen
Reaktion in Summa energetisch
tiefer als die Ausgangsmaterialien bzw.
haben geringere Massen als diese:
Die Energiedifferenz wird frei und
kann zum Beispiel über den Umweg
der Wärme in elektrische Energie
umgewandelt werden.
Abb. 1:
Die Kernbausteine
Proton und Neutron
sind bei den Elemen-
ten des Perioden-
systems verschieden
stark aneinander
gebunden. Die Kurve
der Bindungsenergie
zeigt ein ausgeprägtes
Minimum. Durch Um-
ordnung der Kernbe-
standteile können
daher sehr große
Energiemengen frei
gesetzt werden –
sowohl durch die
Spaltung schwerer,
als auch durch die
Verschmelzung leich-
ter Kerne.
(Grafik: FZJ)
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