Kernfusion - eine spezielle Form der Energieumwandlung
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 besteht in Folgendem: 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. 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.
Energiefreisetzung in der Sonne
Im Inneren der Sonne erfolgt ständig Kernfusion. Sie ist die Quelle
der Sonnenenergie. Dabei entsteht aus Wasserstoff Helium. Deshalb wird
dieser Vorgang auch als Heliumsynthese
oder als Proton-Proton-Zyklus 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. Die wichtigsten Teilprozesse sind vereinfacht in Bild 2
dargestellt.
Zwei Wasserstoffkerne verschmelzen zu Deuterium. Dabei wird Energie freigesetzt und es werden Positronen abgestrahlt. Anschließend erfolgt die Verschmelzung zu einem Helium-3-Kern, wobei wieder Energie frei wird. Schließlich verschmelzen zwei Helium-3-Kerne zu Helium-4, wobei zwei Protonen (Wasserstoffkerne) entstehen und wiederum Energie frei wird.
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 Wasserstoffvorrates verbraucht.
Der gegenwärtig vorhandene Wasserstoff reicht allerdings noch einige
Milliarden Jahre.
In massereichen Sternen setzt dann,
wenn kaum nach Wasserstoff vorhanden ist, die Fusion von Helium ein. Auch
bei Stickstoff, Sauerstoff und Silicium ist eine Kernfusion möglich
und tritt bei älteren Sternen auch auf. Energie wird allerdings nur
frei bis zur Fusion von Eisen. Jenseits des Eisens ist die Energiebilanz
der Fusionsreaktionen nicht mehr positiv, sondern negativ. Der Umgebung
wird dann also Energie entzogen.
Gesteuerte und ungesteuerte Kernfusion
Die Kernfusion in Sternen verläuft über lange Zeiträume
kontinuierlich in gleichem Umfange. Sie steuert sich selbst und kann insofern
als eine gesteuerte Kernfusion
angesehen werden.
Die Realisierung einer gesteuerten Kernfusion auf der Erde ist bisher
nicht gelungen. An diesem Problem wird aber intensiv geforscht. Eine ungesteuerte
Kernfusion, bei der die Kernenergie schlagartig freigesetzt wird,
erfolgt bei Wasserstoffbomben.