Kernfusion beschreibt die Physik von zwei oder mehr Atomkernen, die zu größeren Elementen verschmelzen – die Art von Prozess, der in unserer eigenen Sonne stattfindet.
Der Grund, warum dies eine spannende Perspektive für die Energieerzeugung ist, liegt darin, dass eine solche Atomfusion große Mengen an Energie freisetzen kann. Wenn wir diese Energiefreisetzung nutzen können, könnte die Menschheit möglicherweise Zugang zu einer reichlich vorhandenen, unerschöpflichen Energiequelle erhalten weitgehend erneuerbare Energie.
Im Moment ist eine solche Errungenschaft noch in weiter Ferne, aber Forscher auf der ganzen Welt verbessern das Feld ständig und liefern inkrementelle Verbesserungen, die uns diesem Ziel langsam näher bringen.
Wie funktioniert Kernfusion?
Atome wachsen, wenn sich Protonen in immer größeren Gruppen ansammeln, gebunden durch die starke Kernkraft. Diese Anziehung rührt von Wechselwirkungen zwischen ihren Trios von Bestandteilsteilchen her, die Quarks genannt werden.
Dank der Coulomb-Kraft – der Anziehung oder Abstoßung zwischen Teilchen aufgrund ihrer elektrischen Ladung – neigen Protonen dazu, einen guten Abstand voneinander zu halten – viel zu weit, als dass die Kernkraft sie in den Griff bekommen könnte.
Neutronen hingegen haben keine Ladung und werden daher nicht abgestoßen, sodass sie mit geringem Aufwand anderen Kernteilchen relativ nahe kommen können. Dank feiner Unterschiede in einer Eigenschaft namens Spin können Neutronen und Protonen, die eng zusammengebracht werden, zu einem einfachen Atomkern verkleben.
Theoretisch kann sich ein mit einem Neutron gepaartes Proton mit einem anderen Proton verbinden und eine Neutronenpartnerschaft eingehen, wobei die Neutronen als eine Art Vermittler fungieren. Aber es ist nicht einfach, mehrere Protonen nahe genug heranzubringen, damit die starke Kraft die Macht übernimmt. Selbst relativ einfache Fusionen zwischen zwei Deuteriumatomen (Wasserstoff aus einem Proton und einem Neutron) zu einem Helium-3-Atom erfordern den Druck, der in den Kernen von Objekten wie unserer Sonne zu finden ist.
Um noch größere Elemente hervorzuheben, wie die von der Größe von Kohlenstoff, sollten diese Drucköfen Temperaturen von mindestens 100 Millionen Kelvin bewältigen können – sechsmal heißer als der Kern der Sonne.
Die Verschmelzung von Kernen zu noch schwereren Elementen in der Größenordnung von Gold und Uran erfordert kosmische Kraft. Denken Sie an die Arten von Kräften, die bei kollidierenden Neutronensternen oder bestimmten Supernovae auftreten.
Wie erzeugt die Kernfusion Energie?
Die Erzeugung von Fusionsenergie hängt von der unterschiedlichen Energiemenge ab, die erforderlich ist, um Kernteilchen zusammenzuhalten.
Wenn Sie ein Alphateilchen nehmen – ein paar Protonen und ein paar Neutronen, die zusammengeballt sind – und wiege es, dann ergibt sich eine Masse von 4.00153 Einheiten. Wiegen Sie jedoch jedes Atom einzeln und die Gesamtsumme beträgt 4.03188 Einheiten.
Basierend auf der Gleichung „Energie = Masse x Quadrat der Lichtgeschwindigkeit“ (ja, das ist E=mc2), ist der Massenunterschied auch ein Energieunterschied. Zusammengebunden hat die Ansammlung von Teilchen weniger Energie als wenn sie getrennt sind; Daher wird diese zusätzliche Energie, wenn sie verschmelzen, in die Welt freigesetzt.
Tief in der Sonne geschmiedet, gelangt diese Energie langsam an die Oberfläche, wo sie in Wellen wie elektromagnetischer Strahlung oder Sonnenlicht emittiert wird.
Hier auf der Erde haben Physiker und Ingenieure verschiedene Geräte entwickelt, die uns helfen können, die bei der Kernfusion freigesetzte Energie einzufangen und zu nutzen. Wenn sie erfolgreich sind, werden Sie auf jeden Fall davon hören.
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