Warum muss für die Kernfusion so viel Energie aufgewendet werden?

Kernfusion

Die Kernfusion ist einer der energiereichsten Prozesse im Universum und spielt eine zentrale Rolle bei der Energieerzeugung in den Herzen der Sterne. Daher erfordert die Fusion von Atomkernen, also ihre Vereinigung zu einem schwereren Kern, enorme Energiemengen, um bestimmte fundamentale Kräfte zu überwinden, die auf mikroskopischen Skalen wirken. Welche Kräfte müssen überwunden werden, um Atomkerne zu verschmelzen?

Die starke Atomkraft

Die starke Kernkraft ist die mächtigste der vier Grundkräfte. Die Reichweite der starken Wechselwirkung beträgt ca. 10^-15 Meter, also die Größe eines Nukleons (ca. 1 Femtometer). Diese Kraft ist auf kurze Distanz extrem stark und sorgt dafür, dass die Nukleonen im Kern zusammengehalten werden. Es ist anziehend und überwindet die elektrostatische Abstoßung zwischen Protonen, wenn diese sehr nahe beieinander sind. Ohne diese Kraft könnten die Protonen, die sich aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig abstoßen, im Kern nicht zusammenhalten. Allerdings wirkt diese Kraft praktisch nicht über einige Femtometer hinaus.

Um also zwei Protonen zusammenzuhalten, müssen sie extrem nahe aneinander gebracht werden. Sobald die Protonen nah genug beieinander sind (in einem Abstand von etwa einem Femtometer), kommt die starke Kernkraft ins Spiel. Diese Kraft ist anziehend und dient dazu, die Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Kern zusammenzuhalten.

Hinweis::
Die starke Wechselwirkung ist gleich 1 (das ist die Referenzkraft). Seine Kopplungskonstante ist etwa hundertmal größer als die der elektromagnetischen Wechselwirkung, eine Million Mal größer als die der schwachen Wechselwirkung und 10^38 Mal größer als die der Gravitation.

Coulombs Kraft

Die Coulomb-Kraft ist eine grundlegende Naturkraft, die die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen (Elektronen, Protonen, Ionen usw.) beschreibt. Dies gilt nur für Gegenstände, die elektrische Ladungen tragen, egal ob positiv oder negativ. Es stellt eine der Säulen des Elektromagnetismus dar.

Zwischen Protonen ist aufgrund ihrer positiven Ladung die abstoßende elektrostatische Kraft allgegenwärtig. Diese Kraft wirkt über größere Entfernungen (deutlich über die wenigen Femtometer der starken Kernkraft hinaus) und erzeugt das sogenannteCoulomb-Barriere. Diese Barriere ist das wichtigste energetische Hindernis, das die Fusion geladener Kerne bei niedriger Energie verhindert. Sie beträgt 10^−2 (im Vergleich zur starken Kernkraft).

Wenn sich also zwei Atomkerne einander nähern, erhöht sich ihre potenzielle Wechselwirkungsenergie mit der Coulomb-Abstoßung und durchläuft dann ein Maximum, das überschritten werden muss, um eine Kernfusion zu erreichen.

Zusammenfassend

Protonen, die positiv geladen sind, üben eine elektrostatische Abstoßungskraft aufeinander aus, die sogenannteCoulomb-Kraft. Damit eine Fusion stattfinden kann, muss diese Kraft der elektrostatischen Abstoßung überwunden werden.

Dortstarke Atomkraftwirkt auf eine sehr kurze Reichweite, im Allgemeinen in der Größenordnung von 1 Femtometer. Damit diese Kraft wirken kann, müssen die Kerne also sehr nahe beieinander liegen. Dies erfordert beträchtliche Energie, um die Kerne so nahe zu bringen, dass die starke Kernkraft die Kontrolle übernehmen und die Fusion ermöglichen kann.

Um diese beiden Kräfte zu überwinden, erfordert die Kernfusion sehr hohe Geschwindigkeiten und damit extrem hohe Temperaturen, um die notwendige kinetische Energie bereitzustellen. Diese Bedingungen herrschen in den Kernen von Sternen, wo aufgrund des enormen Drucks in den Kernen dieser Sterne Temperaturen von mehreren zehn Millionen Grad Celsius erreicht werden. Bei solch hohen Temperaturen befindet sich Materie in einem ZustandPlasmaDabei werden Elektronen von Kernen getrennt, was den Kernen selbst eine größere Bewegungsfreiheit ermöglicht.