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CDSCVSDCVWS

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by

Roman Nabi

on 27 June 2015

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Transcript of CDSCVSDCVWS

Inhaltsverzeichnis
1. Was versteht man unter einer Kernfusion ?
2.Was passiert dabei ?
3.Welche Bedingungen sind erforderlich ?
4.Die Deuterium-Tritium-Reaktion
5. Wie ist der Stand der technischen Nutzung ?
6.Die Trägheitsfusion und das Prinzip des magnetischen Einschlusses
7. Was sind Vor-und Nachteile der Kernfusion ?
8. Wo tritt sie in der Natur auf ?
9.Quellenangaben
Was versteht man unter einer Kernfusion ?
--> eine Reaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern verschmelzen und dabei Energie freisetzen
Sie laufen im Innern der Sonne und anderer Sterne ab, weshalb diese Energie abstrahlen.
--> Wissenschaftler erforschen die Kernfusion auch auf der Erde und wollen sie mit speziellen Kraftwerken zur Energieform der Zukunft machen.


Was passiert dabei ?
Fusionieren zwei Kerne zu einem neuen Kern, so ist die Masse der beiden fusionierenden Atomkerne größer als die des neu entstandenen Kerns. (Massendefekt/ Massenverlust)
Die fehlende Masse wurde bei der Reaktion direkt in Energie (kinetische Energie und Strahlungsenergie) umgewandelt. Dies geschieht nach Einsteins Massen-Differenz-Äquivalenzformel:
Welche Bedingungen sind dafür erforderlich ?
Die Bindungsenergien pro Nukleon nehmen mit steigender Massenzahl nur bis zum Element Eisen zu. Dadurch treten exotherme Reaktionen nur bei der Verschmelzung leichter Kerne auf

Kernfusion
In dieser Grafik ist die Kernbindungsenergie pro Nukleon aufgezeichnet. Es ist zu erkennen, dass die Nukleonen der leichteren Kerne weniger stark gebunden sind als die der verhältnismäßig schwereren bis zum Eisen. Eisen stellt das stabilste Element im Periodensystem dar. Je näher die Elemente am Kurvenmaximum (beim Eisen) liegen, desto mehr Energie wird bei ihrer Entstehung frei.
Schwerere Elemente, wie z.B. Uran, haben geringere Bindungsenergien pro Nukleon. Daher wird bei der Spaltung von schweren Elementen, wobei leichtere Kerne entstehen, Energie frei (Kernfission/ Kernspaltung).
- Wirkungsquerschnitt= Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass die zusammenstoßenden Atomkerne miteinander reagieren --> muss ausreichend groß sein, um die Coulombbarriere (elektrische Abstoßung zwischen gleichgeladenen Teilchen) zu erklimmen und sie zu ,,durchtunneln"
--> ist der Fall, wenn die Kerne mit hoher Geschwindigkeit/ Energie aufeinander prallen
-->Die Coulombbarriere verstärkt sich je näher die Kernen beieinander liegen
Ab einem Abstand von 10^-15m wird eine aniehende Kraft wirksam, die eine Fusion erlaubt
Wo tritt sie in der Natur auf ?
Die grundlgenden Prozesse, aus denen die Sonne und alle Sterne ihre Energie beziehen ist die Kernfusion, bei der Wasserstoffisotope zu Helium verschmelzen
--> Im Kern der Sonne sind alle Bedingungen für die Kernfusion geben
Sie besteht zu 70% aus Wasserstoff und zu 28% aus Helium. Dort herrscht durch die Gravitation ein enorm hoher Druck von 233 Gigabar und eine hohe Dichte Damit sind hohe Temperatur von
ca. verbunden. Außerdem stehen dort genügend Wasserstoffkerne zur Verfügung.
Bei solchen Temperaturen sind die Atome vollständig ionisiert. Das dort vorherrschende Medium ist Plasma.
Die Deuterium-Tritium Reaktion
Berechnungen haben ergeben, dass die Fusion von Deuterium (Wasserstoff mit einem Neutron) und Tritium (Wasserstoff mit zwei Neutronen) am besten realisierbar ist.
Deuterium und Tritium verschmelzen zu einem Heliumkern unter Freisetzung von Energie und eines Neutrons. Diese Reaktion ist ein Kandidat für die Stromerzeugung in der Zukunft und ist zudem Ursache für die Zerstörungskraft von Wasserstoffbomben.
Quellenangaben
http://www.djds.de/projekte/einstein/kernfusion/
http://wikis.zum.de/kas/Kernfusion
http://www.stern.de/wissen/natur/kernfusion-sonnenfeuer-auf-erden-589074.html
http://www.planet-wissen.de/natur_technik/atomkraft/kernkraft/kernfusion.jsp
http://www.wasistwas.de/wissenschaft/die-themen/artikel/link//11111/article/kontrollierte-kernfusion.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Kernfusion
http://www.verivox.de/themen/kernfusion/
http://www.sueddeutsche.de/wissen/kernfusion-traum-von-gigantischer-energie-1.53195
https://www.dpg-physik.de/dpg/gliederung/fv/p/info/inertial.html
https://www.top-solar-info.de/Wissenschaft/traegheitsfusion
http://www.ipp.mpg.de/11728/mageinschluss
Wie ist der Stand der technischen Nutzung ?
Wasserstoffbombe:

Dies dazu benötigte Geschwindigkeit erhält man bei hohen Temperaturen von etwa Millionen Kelvin
--> Wasserstoff ionisiert jedoch bereits bei niedrigeren Temperaturen
Dabei entsteht ein sehr heißes elektrisch geladenes Gas, das Plasma, das aus Atomkernen und Elektronen besteht
Im Gas sind die Elektronen an den Kern gebunden.
Die für die Fusion benötigte Geschwindigkeit wird nur in Teilchenbeschleunigern und in sehr heißem Plasma erreicht.

Eine weitere Bedingung für die Kernfusion ist ein hoher Druck, der dafür sorgt, dass das Plasma über eine bestimmte Dichte verfügt, um ein Aufeinandertreffen der Atomkerne zu verursachen.

In der Sonne verschmelzen jede Sekunde 567 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 562,8 Millionen Tonnen Helium. Somit entsteht eine Massendefekt von 4,2 Millionen Tonnen. Die fehlenden 4,2 Tonnen werden in Energie umgewandelt. Trotz dieses Massenverlustes hat die Sonne in 4,5 Milliarden Jahren nur 3 Promille ihrer Gesamtmasse verloren. Für den Massenverlust gilt:
Die Sonne wir demnach noch ca.70 Milliarden Jahre leuchten.
Vorteile
-Kein umweltschädliches CO2
-Keine Schwefeldioxide
-Keine Stickoxide
-Kein hochradioaktiver Abfall
-Hohe Energieerzeugung
Nachteile
-Um die Kernfusion energieeffizient einsetzen zu können, muss sie erst weiter erforscht werden
-Bei Reaktorunfällen werden große Explosionskräfte freigesetzt, die radioaktive Verstrahlung ist aber nicht so schwerwiegend wie bei einem Kernspaltungsreaktor
-Kernwaffen können verbessert werden
Zurzeit kommt das Prinzip der Kernfusion in Wasserstoffbomben vor. Zum Zünden ist viel Energie notwendig, weshalb alle Wasserstoffbomben auch mit Kernspaltungen gezündet werden. Diese stellen genügend Energie für die Kernfusion zur Verfügung. Danach läuft die Deuterium-Tritium Reaktion unkontrolliert ab. Es entstehen, je nach Größe der Bombe, die vieltausendfache Sprengkraft einer auf Kernspaltung beruhenden Atombombe
Energiegewinnung
Die Kernfusion soll in Zukunft als Energiequelle dienen. Kernfusionskraftwerke sollen die Atomkraftwerke ersetzen, da die Kernfusion im Vergleich zur Kernspaltung viel mehr Energie liefert.
Die Bilder veranschaulichen die Wasserstoffbombe Castle Bravo und ihre Sprengkraft.
Zum Vergleich: Die Hiroshima Bombe Little Boy hatte eine Sprengkraft von ca.13-18 Kilotonnen TNT. Die Zar-Bombe war mit 57 Kilotonnen TNT die bisher größte geteste Wasserstoffbombe.
Das Problem sind jedoch die hohen Zündtemperaturen. Erst bei Temperaturen von 100 Mio. Grad Celcius kommt die Kernfusion in Gang, da man zunächst die Coulombbarriere überbrücken muss.
Daraus ergibt sich das Problem, dass man mehr Energie aufwenden muss, als man durch die Kernfusion gewinnt.
Da dies zurzeit noch nicht möglich ist, kann man die Kernfusion noch nicht effizient zur Energiegewinnung nutzen.
Die Trägheitsfusion
eine kontrollierte Kernfusion, bei der ein Gemisch aus Deuterium und Tritium mit Hochenergielaserstrahlen bestrahlt wird, was eine starke Komprimierung hervorruft. Dadurch beginnen ab einem bestimmten Punkt Atomkerne miteinander zu fusionieren.
Das heiße Plasma wir nur durch seine eigene Trägheit zusammengehalten.
Das Prinzip des magnetischen Einschlusses
->fortgeschrittenste und vielversprechendste Kernfusionsmethode
Wegen seiner hohen Temperatur kann ein Fusionsplasma nicht unmittelbar in materiellen Gefäßen eingeschlossen werden. Bei jedem Wandkontakt würde sich das Plasma sofort wieder abkühlen und es könnten keine Kernfusionen stattfinden. Magentfelder schließen den Fusionsbrennstoff wärmeisoliert ein,
lenken ihn in gewünschte Bahnen und sorgen dafür, dass dieser nicht mit der Gefäßwand in Berührung kommt.


Vor-und Nachteile der Kernfusion
von Roman Nabi
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