Kernfusion einfach erklärt: Ablauf und Energie

Ein Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Beide Teilchenarten heißen zusammen Nukleonen. Bei einer Fusion werden die Kerne selbst umgewandelt. Das unterscheidet die Fusion von einer chemischen Reaktion, bei der sich nur Elektronenhüllen und Bindungen zwischen Atomen ändern.

Ein wichtiges Beispiel für die Forschung an Fusionsreaktoren ist die Reaktion von Deuterium und Tritium. Beide sind Wasserstoffisotope: Sie besitzen je ein Proton, aber unterschiedlich viele Neutronen. Deuterium besitzt ein Proton und ein Neutron. Tritium besitzt ein Proton und zwei Neutronen und ist radioaktiv. Bei ihrer Fusion entstehen ein Helium-4-Kern und ein freies Neutron.

Die Reaktion lautet:

{}_1^2\mathrm{D}+{}_1^3\mathrm{T}\rightarrow{}_2^4\mathrm{He}+{}_0^1\mathrm{n}

Bei einem Nuklidsymbol {}_Z^A X gibt die untere Zahl Z die Protonenzahl und die obere Zahl A die Nukleonenzahl an.

Protonen und Neutronen sind in einem Kern gebunden. Die Energie, die zum vollständigen Zerlegen des Kerns nötig wäre, heißt Bindungsenergie. Ein stärker gebundener Kern besitzt weniger Energie und nach E=mc^2 auch weniger Masse als seine getrennten Bestandteile.

Bei der D-T-Reaktion ist die Gesamtmasse der Produkte kleiner als die Gesamtmasse der Ausgangsteilchen. Diese Differenz heißt Massendefekt:

\Delta m=m_\text{Ausgang}-m_\text{Produkte}

Die zugehörige Reaktionsenergie ist:

\Delta E=\Delta m\,c^2

Das Beispiel unten rechnet den Massendefekt mit gerundeten Atommassen aus. Die Elektronenmassen heben sich dabei auf: Links gehören insgesamt zwei Elektronen zu den beiden neutralen Wasserstoffatomen, rechts zwei zum neutralen Heliumatom.

Die Produktenergien werden häufig näherungsweise mit 3{,}5\,\mathrm{MeV} für den Heliumkern und 14\,\mathrm{MeV} für das Neutron angegeben. Zusammen sind das rund 17{,}5\,\mathrm{MeV}; die kleine Abweichung zu 17{,}6\,\mathrm{MeV} entsteht durch Rundung. Das Neutron trägt dabei etwa 80\,\% der Produktenergie.

Bei der D-T-Fusion verlässt das ungeladene Neutron das Magnetfeld und trägt ungefähr 80\,\% der Reaktionsenergie nach außen. In einem künftigen Kraftwerk soll diese Energie als Wärme genutzt werden. Der positiv geladene Heliumkern bleibt eher im Plasma und kann es durch Stöße weiterheizen.

Für den Vergleich von Experimenten wird unter anderem der Q-Faktor verwendet:

Q=\frac{P_f}{P_h}

Dabei ist P_f die thermische Fusionsleistung und P_h die von außen zugeführte Heizleistung. Bei Q<1 ist die Fusionsleistung kleiner als die äußere Heizleistung. Bei Q=1 sind beide gleich groß. Bei vollständig gezündetem Plasma ist keine äußere Heizung mehr nötig. Dann lässt sich dieser Quotient nicht berechnen, weil sein Nenner null wäre.

Ein großer Q-Faktor belegt noch keine positive Strombilanz des gesamten Kraftwerks. Auch Magnete, Laser, Kühlung, Pumpen, Brennstoffversorgung und die Umwandlung von Wärme in Strom benötigen Energie. Deshalb müssen Plasma-, Heizungs- und Gesamtanlagenbilanz getrennt werden.

Ein Beispiel zeigt diese Bilanzgrenze: Am 5. Dezember 2022 trafen an der National Ignition Facility 2{,}05\,\mathrm{MJ} Laserenergie auf das Target; die Fusion lieferte 3{,}15\,\mathrm{MJ}. Die Target-Bilanz war positiv. Die gesamte Anlage bezog für diesen Versuch etwa 300\,\mathrm{MJ} bis 400\,\mathrm{MJ} elektrische Energie aus dem Netz und erzielte keinen Nettoenergiegewinn.

Fusion besitzt eine hohe Energiedichte. Deuterium ist in Wasser verfügbar; das seltene Tritium könnte mithilfe der Fusionsneutronen aus Lithium-6 erzeugt werden:

{}_0^1\mathrm{n}+{}_3^6\mathrm{Li}\rightarrow{}_2^4\mathrm{He}+{}_1^3\mathrm{T}

Eine D-T-Fusion ist dennoch nicht radioaktivitätsfrei. Tritium ist radioaktiv. Außerdem können schnelle Neutronen das Material der Reaktorwand schädigen und Atomkerne darin radioaktiv machen. Dies nennt man Aktivierung.

Eine sich selbst fortsetzende Kettenreaktion wie bei der Kernspaltung gehört nicht zum D-T-Fusionsprinzip. Ohne ausreichende Temperatur, Dichte und Einschluss kühlt das Plasma ab und die Fusion bricht ab. Das beseitigt aber nicht alle technischen Risiken: Der Umgang mit Tritium, energiereichen Neutronen, hohen Wärmelasten und aktivierten Bauteilen bleibt anspruchsvoll.