(dani3315/iStock/Getty Images) Kernfusion beschreibt die Physik der Verschmelzung von zwei oder mehr Atomkernen zu größeren Elementen – ein Prozess, der in unserer eigenen Sonne abläuft.
Der Grund dafür, dass dies eine spannende Perspektive für die Energieerzeugung ist, liegt darin, dass eine solche Atomfusion große Energiemengen freisetzen kann. Wenn wir diese Energiefreisetzung nutzen können, könnte die Menschheit möglicherweise Zugang zu einer reichlich vorhandenen, unerschöpflichen Quelle erhalten weitgehend nachhaltige Energie .
Eine solche Errungenschaft ist vorerst noch in weiter Ferne, aber Forscher auf der ganzen Welt schon das Feld ständig voranzutreiben , liefern schrittweise Verbesserungen die uns diesem Ziel langsam näher bringen.
Wie funktioniert Kernfusion?
Atome wachsen, während sich Protonen zu immer größeren Gruppen zusammenschließen, die durch die starke Kernkraft verbunden sind. Diese Anziehung entsteht durch Wechselwirkungen zwischen den Trios ihrer Teilchenbestandteile, den sogenannten Quarks.
Dank der Coulomb-Kraft – der Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen Teilchen aufgrund ihrer elektrischen Ladung – neigen Protonen dazu, einen guten Abstand voneinander zu halten – viel zu weit, als dass die Kernkraft greifen könnte.
Neutronen hingegen haben keine Ladung und werden daher nicht abgestoßen, sodass sie sich mit geringem Aufwand relativ nahe an andere Kernteilchen heranbewegen können. Dank subtiler Unterschiede in einer Eigenschaft namens Spin können Neutronen und Protonen, die nahe beieinander liegen, zu einem einfachen Atomkern zusammenkleben.
Theoretisch kann sich ein mit einem Neutron verbundenes Proton mit einer anderen Protonen- und Neutronenpartnerschaft verbinden, wobei die Neutronen als eine Art Vermittler fungieren. Aber es ist keine leichte Aufgabe, mehrere Protonen so nah zusammenzubringen, dass die starke Kraft die Oberhand gewinnen kann. Selbst die relativ einfache Verschmelzung zweier Deuteriumatome (Wasserstoff, bestehend aus einem Proton und einem Neutron) zu einem Helium-3-Atom erfordert den Druck, der im Atom herrscht Kerne von Objekten wie unserer Sonne .
Damit noch größere Elemente entstehen, wie solche von der Größe von Kohlenstoff , müssten diese Drucköfen Temperaturen von mindestens 100 Millionen Kelvin standhalten – sechsmal heißer als der Kern der Sonne.
Die Verschmelzung von Kernen zu noch schwereren Elementen in der Größenordnung von Gold und Uran erfordert ein kosmisches Maß an Kraft. Denken Sie an die Kräfte, die in kollidierenden Neutronensternen oder bestimmten Supernovas auftreten .
Wie erzeugt die Kernfusion Energie?
Die Produktion von Fusionsenergie hängt von Unterschieden in der Energiemenge ab, die zum Zusammenhalten von Kernteilchen benötigt wird.
Wenn Sie ein Alphateilchen nehmen – ein Paar Protonen und ein Paar Neutronen, die zusammengeballt sind – und Wiege es , würden Sie eine Masse von 4,00153 Einheiten erhalten. Wenn man jedoch jedes Atom einzeln wiegt, ergibt sich eine Gesamtsumme von 4,03188 Einheiten.
Nach der Gleichung „Energie = Masse x Quadrat der Lichtgeschwindigkeit“ (ja, das ist E=mc 2 ), ist der Unterschied in der Masse auch ein Unterschied in der Energie. Zusammengebunden hat die Ansammlung von Teilchen weniger Energie, als wenn sie getrennt wären; Wenn sie also verschmelzen, wird diese überschüssige Energie an die Welt abgegeben.
Tief in der Sonne geschmiedet, gelangt diese Energie langsam an die Oberfläche, wo sie in Wellen als elektromagnetische Strahlung oder Sonnenlicht abgestrahlt wird.
Hier auf der Erde haben sich Physiker und Ingenieure weiterentwickelt verschiedene Geräte Das könnte uns helfen, die bei der Kernfusion freigesetzte Energie einzufangen und zu nutzen. Wenn sie Erfolg haben, werden Sie sicher davon erfahren.
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