Als Kernfusion wird der Prozess des Verschmelzens zweier Atomkerne zu einem schwereren Kern bezeichnet. Je nachdem, welche Ausgangskerne beteiligt sind und welches Element daraus entsteht, wird bei diesem Prozess Energie freigesetzt oder aufgewendet. Zumeist ist die Energiebilanz positiv, wenn das Fusionsprodukt eine Ordnungszahl von weniger als etwa 60 bis 80 hat und negativ bei noch schwereren Kernen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Verteilung des Massendefekts über das Periodensystem. In der Regel wird bei einer Kernverschmelzung neben dem Reaktionsprodukt ein leichtes Teilchen wie ein Neutron, ein Proton, ein Alpha-Teilchen oder ein Gamma-Teilchen erzeugt. Dieses ist wegen Energie- und Impulserhaltung erforderlich, da der neu erzeugte Kern nur fest definierte Energieniveaus annehmen kann, während die kinetische Energie, die die beiden Ausgangskerne vor der Verschmelzung haben, variabel ist.
Besonders viel Energie wird frei, wenn schwerer und überschwerer Wasserstoff (Deuterium und Tritium) miteinander verschmelzen. Hier beträgt der Massendefekt fast 4 Promille, das heißt, die Reaktionsprodukte Helium und ein Neutron haben entsprechend weniger Masse als die Ausgangsprodukte. Die fehlende Masse wird aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie aus Einsteins Gleichung E=mc² als kinetische Energie auf die Reaktionsprodukte übertragen. Da c2; eine sehr große Zahl ist, setzt schon die Fusion kleiner Mengen von Deuterium und Tritium gewaltige Energiemengen frei.
Die Kernfusion von Wasserstoff über mehrere Zwischenschritte zu Helium ist die Energiequelle der Sterne, etwa unserer Sonne.
Auf der Erde wird die Kernfusion vor allem in vier Anwendungsbereichen genutzt:
- Im Labor zur Grundlagenforschung. Hier werden mittels eines Teilchenbeschleunigers auf hohe Energien gebrachte Atomkerne auf ein Target geschossen, wo es zu Verschmelzungsreaktionen kommen kann.
- In Kernwaffen (Wasserstoffbombe). Während Kernspaltungswaffen wie die Hiroshima-Bombe eine Sprengkraft von ca. 10 bis maximal etwa 300 Kilotonnen TNT haben, entfalten Kernfusionswaffen bis zu 100.000 Kilotonnen TNT.
- Zur billigen Erzeugung von Neutronen mittels des Farnsworth-Hirsch-Fusors (siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Farnsworth-Hirsch_Fusor )
- Zur geplanten zivilen Energie- und Stromerzeugung durch Kernfusionsreaktoren. Am weitesten fortgeschritten ist hier das Projekt Joint European Torus (kurz JET), das für einige Sekunden ein Plasma aus Deuterium und Tritium am Brennen halten konnte, und dabei einige Megawatt produzierte. Ab ca. 2015 soll der internationale Versuchsreaktor ITER in Betrieb gehen. Experten erwarten jedoch nicht vor 2030 bis 2050 den Bau eines kommerziell verwendbaren Fusionskraftwerkes. Es gab auch immer wieder Versuche, Fusion ohne aufwändige Vorrichtungen zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas zu erzeugen, z. B. mittels kalter Fusion oder Bubble-Fusion. Versuche wie die der Bubblefusion konnten von unabhängiger Seite nicht verifiziert werden.
Reaktionen (Auswahl)
- D + T → He-4 + n + 17.588 MeV
- D + D → He-3 + n + 3.268 MeV
- D + D → T + p + 4.03 MeV
- He-3 + D → He-4 + p + 18.34 MeV
D steht in den Formeln für Deuterium, T für Tritium, He-3 und He-4 für die Heliumisotope mit 1 bzw. 2 Neutronen, n für ein Neutron und p für ein Proton.