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Titel / Referat: Kernfusion - Nutzung der Energie

Schlagwörter: Kernenergie, Energie der Sonne, Helium, Wasserstoff, Massendefekt, Massendifferenz Hausaufgabe, Referat

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Referat zum Thema Kernfusion


Die Suche nach sauberer, sicherer und kostengünstiger Energie ist heute eine große Aufgabe, da der Bedarf an Energie ständig durch die wachsende Bevölkerung, und den industriellen und wirtschaftlichen Aufschwung der Dritten Welt ansteigt. Bis jetzt ist man noch nicht sehr weit gekommen, doch einige Ziele sind schon in Sicht. Eines davon könnte möglicherweise die Nutzung der Kernfusion sein.

Kernfusion 

Kernenergie kann durch die Verschmelzung von zwei leichten Kernen zu einem schwereren freigesetzt werden. Dies lässt sich auf den Massendefekt zurückführen. Die tabellarisch addierte Masse des Heliumkerns ist die Summe von zwei Protonen und zwei Neutronen. 

( 2*1,6726+2*1,6749)*10 g = 60695*10 g
Jedoch ist die tatsächliche Masse von Heliumkernen 6,645*10 g. 

Das ist ein Unterschied von ca. 8%. (Massendefekt) Somit entspricht die Massendifferenz dem Betrag der bei der Fusion Freigesetzten Energie. Dieser Massendefekt ist bei der Bildung von Helium-4-Kernen aus der Fusion von Deuterium und Tritium am größten (17,6 Megaelektronenvolt). Bei den Elementen mit höheren Kernmassen ist keine Fusion mehr möglich, da sich der Massendefekt „umdreht“.(Doch ab diesen Elementen ist die Kernspaltung möglich). Die Energie, die Sterne abstrahlen, stammt von solchen Fusionsreaktionen in ihrem Inneren. 

Eine künstliche Kernfusion wurde erstmals in den dreißiger Jahren durchgeführt, indem ein Ziel, das Deuterium – das Wasserstoffisotop mit der Masse 2 – in einem Zyklotron mit hochenergetischen Deuteronen (Deuteriumkernen) beschossen wurde. Für die Beschleunigung des Deuteronenstrahles war sehr viel Energie erforderlich, es wurde jedoch keine nutzbare Energie gewonnen. Bei den Tests von Atomwaffen in den Vereinigten Staaten, in der ehemaligen Sowjetunion, in Großbritannien und Frankreich wurden in den fünfziger Jahren erstmals große Mengen an Fusionsenergie unkontrolliert freigesetzt. Eine so kurze und unkontrollierte Freisetzung kann allerdings nicht für die Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden.
Bei Kernspaltreaktionen kann sich das Neutron, das keine elektrische Ladung besitzt, leicht einem spaltbaren Kern nähern und mit diesem reagieren, z. B. mit Uran 235. Bei Fusionsreaktionen haben jedoch beide Kerne eine positive elektrische Ladung, und die elektrische Abstoßung (gleiche Ladungen stoßen sich ab) zwischen ihnen, die so genannte Coulombabstoßung, muss überwunden werden, bevor sie verschmelzen können. Dies wird möglich, wenn die zwei Nuklide sich auf 10 m (Femtometer) nähern, denn erst dann überwiegen die inneren Anziehungskräfte der Kerne über die Coulombabstoßung. Doch dies gelingt erst, wenn die Temperatur des reagierenden Gases ausreichend hoch ist: 50 bis 100 Millionen °C. In einem Gas aus den schweren Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium läuft bei dieser Temperatur die Fusionsreaktion ab, wobei ungefähr 17,6 MeV pro Fusionsvorgang freigesetzt werden. Die Energie liegt zunächst als kinetische Energie des Helium-4-Kernes und des Neutrons vor, wird aber unmittelbar darauf als Wärme an das Gas und in die umgebenden Materialien abgegeben.
Wenn der Druck des Gases ausreicht – bei diesen Temperaturen reicht ein Druck von 10–5 Atmosphären, also nahezu Vakuum –, kann der energiereiche Helium-4-Kern seine Energie auf das umgebende Wasserstoffgas übertragen, wodurch die hohe Temperatur erhalten bleibt und somit eine Kettenreaktion möglich wird: Man spricht dann von einer Kernzündung.
Die grundlegenden Probleme bei der Schaffung von Fusionsbedingungen sind: (1) das Gas auf die erforderlichen hohen Temperaturen aufzuheizen und (2) eine ausreichende Anzahl von reagierenden Kernen lang genug einzuschließen, um die Abgabe von mehr Energie zu ermöglichen, als für die Aufheizung und den Einschluss des Gases verbraucht wird. Weitere Probleme sind die Entnahme dieser Energie und ihre Umwandlung in Elektrizität. 

Bei Temperaturen über 100 000 °C sind alle Wasserstoffatome vollständig ionisiert. Das Gas besteht aus einer nach außen elektrisch neutralen Masse von positiv geladenen Kernen und negativ geladenen freien Elektronen. Dieser Zustand der Materie wird als Plasma bezeichnet. Bei 100 Mio °C entspricht das einer Teilchengeschwindigkeit von 1000 km pro Sekunde: diese Geschwindigkeit ist für nötig, damit ein Kern die Abstoßung überwindet und fusionieren kann.
Ein Plasma, das ausreichend heiß für eine Fusion ist, kann nicht mit gewöhnlichen Materialien zusammengehalten werden. Es würde sehr schnell abkühlen, und die Gefäßwände würden bei diesen Temperaturen verdampfen. Da jedoch das Plasma aus geladenen Teilchen besteht, kann es durch ein Magnetfeld zusammengehalten werden.
Soll eine Fusionsanlage als Kraftwerk arbeiten, muss die gewonnene Energie größer sein als die Energie, die für den Einschluss und die Aufheizung des Plasmas eingesetzt wird. Diese Bedingung gilt als erreicht, wenn das Produkt aus der Einschlusszeit t und der Plasmadichte n einen Wert von etwa 1014 überschreitet. Die Beziehung t n ³ 1014 wird als Lawson’sches Kriterium bezeichnet.
Zahlreiche Formen des magnetischen Einschlusses sind seit 1950 erprobt worden. Thermonukleare Reaktionen sind schon beobachtet worden, eine kontrollierte Energiegewinnung gelang jedoch nicht, da die Lawson’sche Zahl selten den Wert 1012 überschritt. Ein Anlagentyp – der so genannte Tokamak, dessen Prototyp in der Sowjetunion von Igor Tamm und Andrej Sacharow entworfen wurde – liefert seit den frühen sechziger Jahren ermutigende Ergebnisse.

Die Einschlusskammer des Tokamak hat die Form eines Torus (Kreisringes)(siehe Bild Nr.7). Ein starkes, ringförmiges Magnetfeld wird durch große, hochleistungsfähige Elektromagnete in der Kammer aufgebaut. Es ist etwa 100 000mal so stark wie das Erdmagnetfeld. Durch Transformatorspulen wird im Plasma ein Längsstrom von mehreren Millionen Ampere induziert. Das dadurch aufgebaute Magnetfeld schließt das Plamsa ein. 

Nach dem erfolgreichen Betrieb von kleinen Tokamaks in mehreren Laboratorien wurden in den frühen achtziger Jahren zwei große Anlagen gebaut, eine an der Universität Princeton in den Vereinigten Staaten und eine in der UdSSR. Im Tokamak entstehen die hohen Plasmatemperaturen durch die Aufheizung infolge des Widerstands des sehr starken Ringstromes. In den neuen großen Anlagen erfolgt eine zusätzliche Aufheizung durch den Beschuss mit neutralen Strahlen, wodurch die Zündbedingungen hergestellt werden sollen.
Ein weiterer möglicher Weg zur Gewinnung von Fusionsenergie ist der Trägheitseinschluss. Bei dieser Technik ist der Brennstoff – Tritium oder Deuterium – in einer winzigen Tablette enthalten, die aus allen Richtungen mit intensiven Laserstrahlen beschossen wird. Dadurch wird eine Implosion der Tablette verursacht, die eine thermonukleare Reaktion auslöst und so den Brennstoff zündet.

1991 wurde im JET-Laboratorium (JET = Joint European Torus) in England erstmals eine bedeutende Energiemenge, etwa 1,7 Millionen Watt, aus kontrollierter Kernfusion gewonnen. Im Dezember 1993 benutzten Forscher an der Universität von Princeton einen Tokamak-Fusionsversuchsreaktor für eine kontrollierte Kernfusion mit einer Energieerzeugung von 5,6 Millionen Watt. Allerdings benötigten sowohl JET als auch der Tokamak-Fusionsversuchsreaktor während ihres Betriebs mehr Energie, als sie erzeugten.
Wenn Fusionsenergie wirtschaftlich einsetzbar wird, bietet sie folgende Vorteile: (1) einen unbegrenzten Brennstoffvorrat in Form von Deuterium aus dem Meer, (2) Reaktorunfälle sind unwahrscheinlich, da die Brennstoffmenge im System sehr gering ist, (3) und ferner sind Abfallprodukte sehr viel weniger radioaktiv und einfacher zu handhaben als jene von Kernspaltanlagen. Die Fortschritte in der Fusionsforschung sind vielversprechend, aber die Entwicklung von nutzbaren Systemen  wird – zumal die Forschung sehr kostenintensiv ist – wahrscheinlich noch Jahrzehnte dauern.



Begriffserklärung:
Deuterium(D): hat ein Proton und ein Neutron m Kern, ist deshalb schwerer als Wasserstoff und wird schwerer Wasserstoff genannt.(natürlich vorkommendes Isotop des Wasserstoffs, ca. 0,015% als Spurenelement im Wasser vorhanden)

Tritium(T): wird künstlich durch den Beschuß von Lithium mit Neutronen hergestellt, besitzt ein Proton und zwei Neutronen im Kern, der Kern ist deshalb instabil, und wird überschwerer Wasserstoff genannt.

Femtometer = 10 m = 1 Billiardstel Meter


Massendefekt: Die Differenz zwischen der Masse eines Atomkerns und der Masse aus der Summe der kernbildenden Nukleonen

häufige Suchphrasen:
referat kernfusion, massendefekt nutzung der energie, massendefekt kernfusion, massendefekt abi, begriffserklärung kernfusion





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