Die Proton-Proton-Reaktion (p-p-Reaktion, Proton-Proton-Kette) ist eine von zwei Fusionsreaktionen durch die Sterne Wasserstoff in Helium umwandeln. Die andere Reaktion ist der Bethe-Weizsäcker-Zyklus (auch CNO-Zyklus genannt). Bei Sternen mit Größen bis zur Masse der Sonne spielt die Proton-Proton-Reaktion eine wichtigere Rolle bei der Energieerzeugung.
Startreaktionen
Zunächst fusionieren zwei Wasserstoff-Kerne 1H (Protonen) zu einem Deuterium-Kern 2H, wobei durch die Umwandlung eines Protons in ein Neutron ein Positron e+ und ein Neutrino νe frei wird.
- 1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0.42 MeV
Um die starke Abstoßung durch die Coulombkraft zu überwinden, benötigen die beteiligten Protonen eine hohe kinetische Energie. Daher dauert es im Schnitt 10 Milliarden Jahre bis ein bestimmtes Proton mit einem anderen reagiert. Durch die große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies dennoch häufig genug um die Reaktion kontinuierlich ablaufen zu lassen. Liefe die Reaktion häufiger ab, hätte die Sonne ihren Wasserstoffvorrat längst verbraucht. Das entstandene Positron annihiliert mit einem Elektron e-, das heisst sie reagieren miteinander und werden vollständig in Energie umgewandelt. Die Masse beider Partner wird in Form von zwei Gammaquanten γ als Energie.
- e+ + e- → 2γ + 1.02 MeV
Das entstandene Deuterium kann anschließend mit einem weiteren Proton reagieren, wobei das leichte Helium-Isotop 3He entsteht:
- 2H + 1H → 3He + γ + 5.49 MeV
Es gibt nun drei verschiedene Reaktionsketten, bei denen schließlich das (in der Natur überwiegende) Helium-Isotop 4He erzeugt wird. Sie setzen bei verschiedenen Temperaturen ein.
Proton-Proton-Reaktion I
Nach Durchschnittlich einer Million Jahren fusionieren schließlich zwei Heliumkerne 3He zu 4He, wobei zwei Protonen freiwerden. Sie stehen für weitere Reaktionsschritte zur Verfügung.
- 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12.86 MeV
Die vollständige Reaktionskette bis hier setzt eine Nettoenergie von 26.7 MeV frei. Die Proton-Proton-Reaktion I ist vorherrschend bei Temperaturen von 10–14 Millionen Kelvin. Unterhalb dieser Temperatur wird nur sehr wenig 4He produziert.
Proton-Proton-Reaktion II
| 3He + 4He | → | 7Be + γ | |
| 7Be + e- | → | 7Li + νe | |
| 7Li + 1H | → | 4He + 4He |
Die Proton-Proton-Reaktion II läuft vorrangig bei Temperaturen von 14–23 Millionen Kelvin ab.
Proton-Proton-Reaktion III
| 3He + 4He | → | 7Be + γ | |
| 7Be + 1H | → | 8B + γ | |
| 8B | → | 8Be + e+ + νe | |
| 8Be | ↔ | 4He + 4He |
Die Proton-Proton-Reaktion III ist vorherrschend bei Temperaturen über 23 Millionen Kelvin.
Siehe auch: Bethe-Weizsäcker-Zyklus, 3α-Prozess