In diesem Artikel geht es um die kernphysikalischen Prozesse, die für die Energieerzeugung durch Kernfusion eine Rolle spielen.
Oft wird gesagt, dass wir mit Kernfusionskraftwerken die gleiche Art der Energieerzeugung nutzen würden, wie sie auf der Sonne abläuft. Das ist aber nicht so ganz richtig. Deswegen schauen wir mal genauer hin.
Kernphysikalische Prozesse in der Sonne
Im Zentrum der Sonne, in ihrem Kern, herrschen extreme Bedingungen: Temperaturen von etwa 15 Millionen Grad Celsius und ein enormer Druck. Unter diesen Bedingungen laufen Kernfusionsprozesse ab, welche die Sonne zum Leuchten bringen und uns mit Energie versorgen.
Der dominierende Prozess in der Sonne ist die Proton-Proton-Reaktion (pp-Kette). Hierbei verschmelzen Wasserstoffkerne (Protonen) in mehreren Schritten zu Heliumkernen.
Die Proton-Proton-I-Kette
Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu einen Deuteriumkern (schwerer Wasserstoff). Dabei entsteht ein Positron. Das ist das Antiteilchen des Elektrons. Außerdem entsteht noch ein Neutrino und etwas Energie.
Das Positron reagiert sofort mit einem Elektron.
Dabei entsteht Gammastrahlung und wieder etwas Energie.
Eine Deuteriumkern reagiert jetzt mit einem Wasserstoffkern.
Es entsteht Helium 3, Gammastrahlung und wieder eine Portion Energie.
Jetzt reagieren zwei Helium 3-Kerne miteinander.
Daraus wird ein Helium 4-Kern (=Alpha-Teilchen) und zwei Protonen (=Wasserstoffkerne). Wieder wird bei der Reaktion Energie frei.
Die Sonne erzeugt damit 83% ihrer Energie.
Die Proton-Proton-II-Kette
Ein Helium-3-Kern verschmilz mit einem Helium-4-Kern zu einem instabilen Berillium-7-Kern. Das Berillium wandelt sich durch einen Beta-Zerfall in Lithium-7 um. Das reagiert wieder mit einem Wasserstoffkern und es entstehen 2 stabile Helium-4-Kerne.
Diese Reaktionen sind für ca. 17% der Energieausbeute zuständig.
Es gibt noch weitere Reaktionen, die aber in der Energiebelanz kaum eine Rolle spielen.
Schauen wir mal, wie viel Energie die Sonne pro m3 erzeugt. Der Radius der Sonne beträgt 6,96342 * 108m. Das Volumen der Sonne beträgt also ca.1,4 * 1027m3.
Die Strahlungsleistung der Sonne liegt bei 3,8 * 1026 W. Jeder Kubikmeter Sonne erzeugt also 0,27 W. Das ist unfassbar wenig und für die technische Nutzung nicht geeignet. Die Kernfusionsprozesse laufen in der Sonne also relativ selten ab.
Ein praktisch einsetzbares Kraftwerk sollte zwischen 1 und 2 GW thermische Leistung haben. In einem Kraftwerk muss also einiges anders gemacht werden.
Kernphysikalische Prozesse in einem Fusionskraftwerk
Für die Energieerzeugung in einem Kraftwerk wird die Deuterium-Tritium-Reaktion genutzt.
2H + 3H → 4He + 3,5 MeV + 1n + 14.1 MeV
Diese Reaktion ist unter den in Frage kommenden Fusionsreaktionen die, welche bei den niedrigsten Temperaturen abläuft und die größte Energieausbeute hat. Das macht sie für die Entwicklung eines Fusionsreaktors besonders interessant.
Für die Energieerzeugung in der Sonne spielt diese Reaktion aber keine entscheidende Rolle.
In der Sonne und in einem Fusionskraftwerk laufen Kernfusionen ab. In beiden wird Wasserstoff zu Helium. Allerdings sind das jeweils andere Wasserstoffisotope, die verschmolzen werden. In einem Fusionskraftwerk ist die Leistungsdichte sehr viel größer als in der Sonne. Beide Prozesse sind also nur sehr bedingt vergleichbar.
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