Unter Kernfusion versteht man die Verschmelzung leichter Atomkerne zu schwereren Kernen. Eine Kernfusion erfolgt nur bei großem Druck und hoher Temperatur. Dabei wird Energie freigesetzt. Kernfusion ist eine spezielle Form der Kernumwandlung.
Kernfusionen gehen ständig im Inneren der Sonne und anderer Sterne vor sich. Durch Kernfusion entsteht somit die Energie, die wir als Strahlungsenergie von der Sonne erhalten und ohne die auf der Erde kein Leben existieren würde.
Ursache für die Energiefreisetzung
Die Ursache für die Energiefreisetzung
und dem daraus resultierendem Massendefekt liegt in der sehr großen
Kernbindungsenergie zwischen den bei der Fusion zusammen kommenden Nukleonen.
Die Masse der Ausgangskerne ist größer als die Masse der entstehenden
Kerne einschließlich der frei werdenden Neutronen. Es tritt ein
Massendefekt auf. Die Verringerung
der Masse entspricht nach der von ALBERT EINSTEIN (1879-1955) im Jahr
1905 entdeckten Beziehung einer Energie
,
die freigesetzt wird. Betrachten wir als Beispiel die Verschmelzung von
Deuterium und Tritium. Dabei entsteht Helium (Bild 1). Sie erfolgt nach
der folgenden Reaktionsgleichung:
Bei diesem Prozess tritt ein Massendefekt von 
auf. Die Größe u ist die atomare Masseeinheit. Daraus ergibt
sich als frei werdende Energie:
Bei einer großen Anzahl von Kernverschmelzungen,
die im Inneren von Sternen vor sich geht, ist die frei werdende Energie
entsprechend groß. Diese Fusionsprozesse sind aber nur möglich
bei sehr hohen Temperaturen zwischen 10 bis 100 Millionen Grad. Deshalb
werden diese Reaktionen auch als thermonukleare
Reaktion bezeichnet.
Energiefreisetzung in der Sonne
Im Inneren der Sonne erfolg ständig Kernfusion.
Sie ist die Quelle der Sonnenenergie. Dabei entsteht aus Wasserstoff Helium.
Deshalb wird dieser Vorgang auch als Heliumsynthese
bezeichnet.
Die Sonne ist eine riesige Gaskugel, die gegenwärtig zu etwa 73 %
aus Wasserstoff und zu etwa 25 % aus Helium besteht. Im Kern herrschen
Temperaturen von etwa 15 Millionen Kelvin, ein Druck von etwa 
.
Das sind die Bedingungen, unter denen Kernfusion vor sich geht. Zwei Wasserstoffkerne
verschmelzen zu Deuterium. Dabei wird Energie freigesetzt und es werden
Positronen abgestrahlt. Anschließend erfolgt die Verschmelzung mit
einem Tritium-3-Kern zu Helium, wobei Energie und ein Neutron frei werden.
Bei dem gesamten Prozess wird eine Energie von 
freigesetzt. In der Sonne gehen in jeder Sekunde viele Milliarden solcher
Prozesse vor sich. In einer Sekunde verschmelzen 567 Mio. Tonnen Wasserstoff
zu 562,8 Mio. Tonnen Helium. Damit tritt bei der Sonne in jeder Sekunde
ein Massendefekt von 4,2 Mio. Tonnen auf. Das bedeutet: Die Sonne wird
in jeder Sekunde 4,2 Millionen Tonnen leichter.
Diesem Massendefekt entspricht eine Energie
von 
.
Diese Energie gibt die Sonne in jeder Sekunde an den sie umgebenden Weltraum
ab. Ein Teil davon gelangt zur Erde.
Bis jetzt hat die Sonne etwa 1/3 ihres Wasserstoffvorrats verbraucht.
Der gegenwärtig vorhandene Wasserstoff reicht allerdings noch einige
Milliarden Jahre.
In massereichen Sternen setzt dann,
wenn im Inneren genügend hohe Temperaturen erreicht werden, die Fusion
von Helium ein. Auch bei Stickstoff, Sauerstoff und Silizium ist eine
Kernfusion möglich und tritt bei älteren Sternen, die im Inneren
heiß genug werden, auch auf. Energie wird allerdings nur frei bis
zur Bildung von Eisen. Jenseits des Eisens sind die Fusionsreaktionen
nicht mehr exergonisch, sondern endergonisch. Der Umgebung wird dann also
Energie entzogen.
Gesteuerte und ungesteuerte Kernfusion
Die technische Realisierung einer gesteuerten Kernfusion auf der Erde
ist bisher nicht gelungen. An diesem Problem wird aber intensiv geforscht.
Bei einer ungesteuerte Kernfusion,
wird die Kernenergie schlagartig freigesetzt.
Praktisch ist die Kernfusion erstmals 1952 in der Wasserstoffbombe
erprobt worden. Dabei wird eine Mischung aus Deuterium und Tritium mit
einer Atombombe, die nach dem Prinzip der Kernspaltung funktioniert, umkleidet.
Diese äußere Atombombe wird zuerst gezündet und liefert
dadurch die für die Kernfusion notwendigen hohen Temperaturen, wodurch
im zweiten Schritt die eigentliche Wasserstoffbombe gezündet wird.
Prinzipiell sind Kernfusionsreaktionen zur Energiegewinnung aus verschiedenen Gründen interessant. Der mögliche Energiegewinn pro mol eingesetzten Stoffs ist größer als bei Kernspaltungsreaktionen. Im Gegensatz zu spaltbarem Material sind die Rohstoffe für Fusionsprozesse in beliebiger Menge vorhanden, z. B. Wasserstoff, Helium. Ein weiterer Vorteil ist, dass die entstehenden Produkte nicht radioaktiv sind, das heißt, das Problem der Beseitigung radioaktiver Abfälle existiert nicht. Jedoch sind Fusionsprozesse wegen der notwendigen hohen Temperatur bisher technisch nicht beherrschbar.
Zudem ist das Behältermaterial einem sehr intensiven Neutronenbeschuss ausgesetzt. Das kann einerseits zu einer Verschlechterung von Stoffeigenschaften (z. B. Festigkeit) führen, zum anderen entstehen dabei in dem Material infolge künstlicher Kernumwandlung radioaktive Nuklide.