Quelltext der Seite Kernfusion

{{Dieser Artikel|behandelt kernphysikalische Reaktionen. Für die Nutzung zur Stromerzeugung siehe [[Fusionsenergie]]. Für die Anlagen siehe [[Kernfusionsreaktor]]. Zur auch Kernverschmelzung genannten Verschmelzung von Keimzellen bei der geschlechtlichen Fortpflanzung siehe [[Befruchtung]].}}

[[Datei:Deuterium-tritium fusion.svg|mini|hochkant=0.9|Die Fusion eines [[Deuterium]]- und eines [[Tritium]]kernes zu einem [[Heliumatom|Heliumkern]] unter Freisetzung eines Neutrons. Dabei wird eine Energie von 17,6&#8239;[[Elektronenvolt|MeV]] als kinetische Energie des geladenen Helium&shy;kerns und des neutralen Neutrons freigesetzt.]]
[[Datei:Binding energy curve - common isotopes-de.svg|mini|hochkant=1.8|Bindungsenergie pro [[Nukleon]] in Abhängigkeit der Anzahl der Nukleonen]]
[[Datei:Kernfusion in der Sonne.webm|mini|Video: Kernfusion in der Sonne]]

Als '''Kernfusion''' werden [[Kernreaktion]]en bezeichnet, bei denen je zwei [[Atomkern]]e zu einem neuen Kern verschmelzen. Kernfusionsreaktionen sind die Ursache dafür, dass die [[Sonne]] und alle leuchtenden [[Stern]]e [[Energie]] [[Strahlung|abstrahlen]].

Von entscheidender Bedeutung für das Zustandekommen einer Fusion ist der [[Wirkungsquerschnitt]], das Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass zusammenstoßende Kerne miteinander reagieren. Ausreichend groß ist der Wirkungsquerschnitt meist nur dann, wenn die beiden Kerne mit hoher Energie aufeinander prallen. Diese ist nötig, um die [[Coulombwall|Coulombbarriere]], die [[Coulombsches Gesetz|elektrische Abstoßung]] zwischen den positiv geladenen Kernen, zu überwinden oder ihr schmales Maximum zu [[Tunneleffekt|durchtunneln]]. Jenseits der Barriere, bei einem Abstand von nur noch etwa 10<sup>−15</sup>&nbsp;m, überwiegt die Anziehung durch die [[starke Wechselwirkung]], und die Kerne verschmelzen miteinander.

Fusionsreaktionen können [[exotherm]] (Energie abgebend) oder [[Endotherme Reaktion|endotherm]] (Energie aufnehmend) sein. Exotherme Fusionsreaktionen können die hohen Temperaturen aufrechterhalten, die nötig sind, damit die thermische Energie zu weiteren Fusionsreaktionen führen kann. Solche [[Thermonukleare Reaktion|thermonuklearen]] Prozesse laufen in Sternen und [[Fusionsbombe]]n unter extremem Druck ab. Im Gegensatz zur [[Kernspaltung]] ist eine [[Kettenreaktion]] mit Fusionsreaktionen nicht möglich.

Die oben abgebildete Fusionsreaktion als thermonuklearer Vorgang soll in Zukunft der Stromerzeugung in [[Kernfusionsreaktor]]en dienen: Kerne von [[Deuterium]] (<sup>2</sup>H) und [[Tritium]] (<sup>3</sup>H) verschmelzen zu einem Heliumkern (<sup>4</sup>He) unter Freisetzung eines [[Neutron]]s (n) sowie von Energie (3,5&nbsp;[[Elektronenvolt#Dezimale Vielfache|MeV]] + 14,1&nbsp;MeV).

In der Abbildung darunter ist die Bindungsenergie pro [[Nukleon]] der [[Nuklid]]e dargestellt. Energie wird frei bei Reaktionen in aufsteigender Richtung der Kurve bzw. wird benötigt bei abfallender Richtung. Die Fusion von Wasserstoff (H) zu Helium-4 setzt besonders viel Energie frei.

== Erforschung der Kernfusion ==
Schon die erste beobachtete [[Kernreaktion]] war eine ([[Endotherme Reaktion|endotherme]]) Fusionsreaktion. Sie wurde – lange vor der Kernspaltung – durch [[Ernest Rutherford]] im Jahre 1917 bei Experimenten mit [[Alphastrahlung|Alphateilchen]] entdeckt. Es zeigten sich Protonen relativ hoher Energie, die nur auftraten, wenn das bestrahlte Gas Stickstoff enthielt.<ref>Ernest Rutherford: ''Collision of α particles with light atoms. IV. An anomalous effect in nitrogen'', [[Philosophical Magazine]] 37, 1919, S. 581–587. ([https://web.lemoyne.edu/~giunta/rutherford.html Veröffentlichungstext])</ref> Diese Kernreaktion heißt in heutiger Schreibweise <sup>14</sup>N(α,p)<sup>17</sup>O oder, ausführlich geschrieben:
:<math>{}^{14}\mathrm{N} + {}^4\mathrm{He} \,\rightarrow\, {}^{17}\mathrm{O} + {}^1\mathrm{H} - 1{,}2 \ \mathrm{MeV} </math>

Diese Umwandlung von [[Stickstoff]] in [[Sauerstoff]] stand, wie der [[Alphastrahlung|Alphazerfall]] selbst, im Widerspruch zur klassischen Theorie, nach der die [[Coulombbarriere]] nur mit ausreichend Energie überwunden werden kann. Erst 1928 konnte [[George Gamow]] solche Vorgänge auf der Basis der neuen [[Quantenmechanik]] mit dem [[Tunneleffekt]] erklären.

Schon 1920 hatte [[Arthur Eddington]] aufgrund der genauen Messungen von Isotopenmassen durch [[Francis William Aston]] (1919) Fusionsreaktionen als mögliche Energiequelle von [[Stern]]en vorgeschlagen. Da aus [[Spektroskopie|spektroskopischen]] Beobachtungen bekannt war, dass Sterne zum Großteil aus [[Wasserstoff]] bestehen, kam hier dessen Verschmelzung zu [[Helium]] in Betracht. 1939 veröffentlichte [[Hans Bethe]] verschiedene Mechanismen, wie diese Reaktion in Sternen ablaufen könnte.<ref>Hans Bethe: ''Energy Production in Stars'', Phys. Rev. 55, 1939, S. 434–456.</ref>

Die erste im Labor gezielt durchgeführte Fusionsreaktion war der Beschuss von [[Deuterium]] mit Deuteriumkernen 1934 durch [[Mark Oliphant]], Assistent von Rutherford, und [[Paul Harteck]].<ref>Rutherford, Oliphant, Paul Harteck: Transmutation effects observed with heavy hydrogen, Proc. Roy. Soc. A, Band 144, 1934, S. 692–703, und unter dem gleichen Titel, Nature, Band 133, 1934, S. 413</ref><ref>{{Webarchiv |url=https://www.euro-fusion.org/news/detail/detail/News/discovery-of-d-d-fusion/ |text=The discovery of D-D fusion |wayback=20190508152105}}, EuroFusion, 2010</ref> Die Fusion dieses in Sternen allerdings seltenen Wasserstoffisotops verzweigt in zwei Produktkanäle:
:<math>{}^2\mathrm{H} + {}^2\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^3\mathrm{He} + {}^1\mathrm{n} + 3{,}3\ \mathrm{MeV}</math>
:<math>{}^2\mathrm{H} + {}^2\mathrm{H} \,\rightarrow\, {}^3\mathrm{H} + {}^1\mathrm{p} + 4{,}0\ \mathrm{MeV}</math>

=== Geschichte der Fusionsforschung aus der Kernwaffenentwicklung ===
Die technische Nutzung der thermonuklearen Kernfusion wurde zunächst mit dem Ziel der militärischen Waffenentwicklung (''Projekt Matterhorn''<ref>{{Internetquelle |url=https://nuclearprinceton.princeton.edu/project-matterhorn |titel=Project Matterhorn |hrsg=[[Princeton University]] |sprache=en |abruf=2023-06-28}}</ref>, heute das [[Princeton Plasma Physics Laboratory]]) verfolgt.  Ebenfalls wurde die Forschung der kontrollierten Fusion (''Projekt Sherwood''<ref>{{Literatur |Autor=Albert Simon |Titel=Project Sherwood: Orientation Lectures presented at Oak Ridge National Laboratory, November-December, 1955 |Nummer=CF568140CHAPI, 1067484 |Datum=1956-07-27 |Sprache=en |Online=http://www.osti.gov/servlets/purl/1067484/ |Abruf=2023-06-28 |DOI=10.2172/1067484}}</ref>, 1951–1958) in dem ersten Jahrzehnt nach dem [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] geheim gehalten. Die USA waren seit 1945, die [[Sowjetunion]] seit 1949 im Besitz der auf der Kern''spaltung'' basierenden [[Atombombe]].

In der Folgezeit entwickelten [[Edward Teller]] und [[Stanislaw Ulam]] (Leitung u.&nbsp;a.: [[J. Carson Mark]]) in den USA ein Konzept zum Bau einer [[Wasserstoffbombe]], die auf der Kernfusion beruht und eine wesentlich höhere Sprengkraft versprach. Am 1. November 1952 wurde die erste Wasserstoffbombe namens [[Ivy Mike]] im [[Eniwetok]]-Atoll im Pazifik gezündet. Damit war der Nachweis erbracht, dass auch auf der Erde große Energiemengen durch Kernfusion freigesetzt werden können.

Im Jahr 1958 wurden die Forschungsergebnisse und das nicht-kernwaffenspezifische Wissen zur Kernfusion aus der Geheimhaltung verabschiedet und veröffentlicht.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.pppl.gov/timeline |titel=Timeline |hrsg=[[Princeton Plasma Physics Laboratory]] (PPPL) |sprache=en |abruf=2023-06-28}}</ref>

== Energiebilanz ==
Ist die Masse der bei der Fusion entstandenen Kerne bzw. Teilchen geringer als die Summe der Masse der Ausgangskerne, wird die Massendifferenz <math> \Delta m </math> wie bei jeder Kernreaktion nach der von [[Albert Einstein|Einstein]] stammenden [[Äquivalenz von Masse und Energie|Masse-Energie-Äquivalenzformel]] <math> E = \Delta m c^2</math> in Form von Energie freigesetzt (als kinetische Energie der Reaktionsprodukte und u.&nbsp;U. als elektromagnetische Strahlung). Exotherme, also Energie freisetzende Fusionsreaktionen treten nur bei der Verschmelzung ''leichter'' Kerne auf, da die [[Bindungsenergie]] pro [[Nukleon]] mit steigender [[Massenzahl]] nur bis zum Element Nickel (Isotop <sup>62</sup>Ni) zunimmt. Sehr groß ist sie jedoch bei Helium-4 erzeugenden Reaktionen: Die Umsetzung von einem Gramm Deuterium-Tritium-Gemisch in einem [[Kernfusionsreaktor]] würde eine thermische Energie von rund 100 Megawattstunden (MWh) oder 12,3&nbsp;[[Steinkohleeinheit|t SKE]] liefern.

Die bisherigen Experimente zur kontrollierten thermonuklearen Fusion weisen noch keine positive Energiebilanz auf. Am erfolgreichsten war bisher die britische Anlage JET ([[Joint European Torus]]), die eine Spitzenleistung von 16 MW für weniger als eine Sekunde erreichen konnte. Dabei wurde durch Fusion eine Energiemenge freigesetzt, die 65 Prozent der hineingesteckten elektrischen Energie entsprach.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.euro-fusionscipub.org/wp-content/uploads/2014/11/JETP98070.pdf |text=''M.Keilhacker, JET Deuterium-Tritium Results and their Implications'' |wayback=20160816070949}}.Webseite von EUROfusion. Abgerufen am 16. August 2016.</ref>

== Stellare Kernfusion ==
{{Hauptartikel|Sternentwicklung}}
[[Datei:Fusion in the Sun.svg|lang=de|mini|[[Proton-Proton-Reaktion]] und Fortsetzung der Kette bis zur Bildung von He-4]]

In vielen Sternen, wie unserer Sonne, steht am Beginn der Entwicklung eine lange Phase des [[Wasserstoffbrennen]]s. In dieser Zeit als [[Hauptreihe]]nstern verschmelzen [[Proton]]en, die [[Atom]]kerne des [[Wasserstoff]]s, unter Energiefreisetzung zu [[Helium]]. Dies geschieht in mäßig großen Sternen hauptsächlich über eine als [[Proton-Proton-Kette]] bekannte Folge von Fusionsreaktionen; bei höheren Temperaturen gewinnt der [[CNO-Zyklus|Bethe-Weizsäcker-Zyklus]] an Bedeutung. In diesen Reaktionsketten werden [[Neutrino]]s mit charakteristischen Energieverteilungen gebildet, deren [[Neutrinodetektor|Messung]] Aufschluss über das Sonneninnere liefert.<ref>Michael Schirber, [[American Physical Society|APS]]: [http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.108.051302 ''Synopsis: Rare Fusion Reactions Probed with Solar Neutrinos''], 2012.</ref>

Wenn im Kern eines Hauptreihensterns der Wasserstoff knapp geworden ist, beginnt die [[Drei-Alpha-Prozess|Fusion von Helium]] zu [[Kohlenstoff]]. Die Bildung noch schwererer Kerne erfolgt in weiteren Fusionsreaktionen bis in den Bereich der Massenzahl 60, wo die Bindungsenergie pro Nukleon maximal ist. Dabei werden immer höhere Temperaturen erforderlich. Daher erfolgt die Reaktion in aufeinander folgenden Phasen: Ist der Brennstoff für eine Reaktion aufgebraucht, so kontrahiert der Stern, wodurch seine Zentraltemperatur steigt. Falls sie hoch genug ist, kann die nächste Fusionsreaktion zu noch schwereren Kernen beginnen. Temperaturen, die zur Erzeugung von Eisen {{nowrap|1=(''A'' = 56)}} und Nickel {{nowrap|1=(''A'' = 60)}} erforderlich sind, werden aber nur in sehr massereichen Sternen erreicht. Elemente mit noch größeren Massenzahlen können gar nicht mehr auf diese Weise entstehen, sie werden durch [[Neutronenanlagerung|Neutronen]]- ([[S-Prozess|s-]] und [[r-Prozess]]) und [[Protonenanlagerung]] ([[p-Prozess]]) gebildet (siehe [[Supernova#Kernkollaps|Supernova, Kernkollaps]]).

== Kernfusionsreaktionen für technische Energiegewinnung ==
{{Siehe auch|Kernfusionsreaktor}}

=== Mögliche Einsatzstoffe und Reaktionen ===
Die p-p-Reaktion ist für eine technische thermonukleare Nutzung viel zu langsam. Selbst im [[Sonne#Kern|Kern der Sonne]] liegt die mittlere Lebensdauer eines Protons bis zur Reaktion in der Größenordnung von zehn Milliarden Jahren.
Aber auch alle für die technische Nutzung in Frage kommenden Fusionsreaktionen erfolgen zwischen sehr ''leichten'' Atomkernen, und ihr Energiegewinn erklärt sich aus der Erzeugung von Helium-4-Kernen mit ihrer hohen Bindungsenergie pro Nukleon. Eine der betrachteten Reaktionen, die [[Proton-Bor-Fusion|Proton-Bor-11-Reaktion]] (Zeile 10 der folgenden Tabelle), ist gar keine Fusion im Sinne der obigen Definition – es entsteht kein Kern, der schwerer ist als die Ausgangskerne – aber sie erzeugt pro reagierendem Kernpaar gleich drei Helium-4-Kerne. Üblicherweise wird diese Reaktion mit zur „Kernfusion“ gezählt.

Die Konzepte für Kernfusionsreaktoren basieren auf der Fusion von Deuterium und Tritium, im Folgenden kurz DT. Andere Fusionsreaktionen hätten zum Teil Vorteile gegenüber DT, insbesondere hinsichtlich durch Aktivierung der Wandmaterialien entstehender Radioaktivität (siehe hierzu [[Fusionsenergie#Umwelt- und Sicherheitsaspekte|Fusionsenergie]]) oder leichterer Nutzbarmachung der Reaktionsenergie. Sie stellen jedoch wegen kleineren Energiegewinns pro Einzelreaktion, der Notwendigkeit wesentlich höherer Plasmatemperaturen oder mangelnder Verfügbarkeit der Einsatzstoffe bis auf Weiteres nur theoretische Möglichkeiten der Energiegewinnung dar.

In der nachfolgenden Tabelle sind die möglichen Brennstoffe, die Reaktionsprodukte und die freiwerdende Energie aufgeführt. Bei Reaktionen mit verschiedenen möglichen Endprodukten sind die prozentualen Anteile der Reaktionskanäle angegeben.

Gibt es nur zwei Produktteilchen, haben diese (bei vernachlässigter Stoßenergie im Eingangskanal) nach der [[Kinematik (Teilchenprozesse)#Stark exotherme Reaktionen|Kinematik]] die angegebenen, wohlbestimmten kinetischen Energien. Bei Reaktionen mit mehr als zwei Produktteilchen lässt sich dagegen nur die freigesetzte Gesamtenergie angeben.

<!-- Originaltabelle:
(1)     D + T    → He   ( 3.5MeV  ) + n    ( 14.1MeV  )
(2I)    D + D    → T    ( 1.01MeV ) + p    ( 3.02MeV  ) _ _ _ _       _ _50%
(2II)   _ _ _    → He-3 ( 0.82MeV ) + n    ( 2.45MeV  ) _ _ _ _       _ _50%
(3)     D + He-3 → He   ( 3.6MeV  ) + p    ( 14.7MeV  )
(4)     T + T    → He   _ _       _ + 2n   _ _        _ _ _ + 11.3MeV
(5)  He-3 + He-3 → He   _ _       _ + 2p   _ _        _ _ _ + 12.9MeV
(6I) He-3 + T    → He   _ _       _ + p    + n        _ _ _ + 12.1MeV _ _51%
(6II)   _ _ _    → He   ( 4.8MeV  ) + D    ( 9.5MeV   ) _ _ _ _       _ _43%
(6III)  _ _ _    → He   ( 0.5MeV  ) + n    ( 1.9MeV   ) + p ( 11.9MeV ) _6%
(7I)    D + Li-6 → 2He  + 22.4MeV
(7II)   _ _ _    → He-3 + He      _ + n    _ _        _ _ _ + 2.56MeV
(7III)  _ _ _    → Li-7 + p       _ _ _    _ _        _ _ _ + 5.0MeV
(7IV)   _ _ _    → Be-7 + n       _ _ _    _ _        _ _ _ + 3.4MeV
(8)     p + Li-6 → He   ( 1.7MeV  ) + He-3 ( 2.3MeV   )
(9)  He-3 + Li-6 → 2He  + p       _ _ _    _ _        _ _ _ + 16.9MeV
(10)    p + B-11 → 3He  _ _       _ _ _    _ _        _ _ _ + 8.7MeV
-->
:{| style="border-collapse:separate;"
|- style="border-bottom:1px solid red;background:#E0D0C0;"
! style="padding-right:1em;"|Nr. !!colspan="3"|Ausgangsstoffe!!  !!colspan=7|Produkte
|-
|(1) ||<sup>2</sup>[[Deuterium|D]]&nbsp;||+&nbsp;||<sup>3</sup>[[Tritium|T]]&nbsp;|| → ||<sup>4</sup>[[Helium|He]]&nbsp;(3,5&nbsp;[[Elektronenvolt|MeV]])|| + ||[[Neutron|n<sup>0</sup>]]&nbsp;(14,1&nbsp;MeV)
|-
| colspan="12" style="border-top:2px solid #000000;"|
|-
|(2a)
| <sup>2</sup>D&nbsp;
| +
| <sup>2</sup>D&nbsp;
| → ||<sup>3</sup>T&nbsp;(1,01&nbsp;MeV)
| + ||[[Proton|p<sup>+</sup>]]&nbsp;(3,02&nbsp;MeV)
|colspan="4"|(zu 50 %)
|-
|(2b)
| <sup>2</sup>D&nbsp;
| +
| <sup>2</sup>D&nbsp;
|| → ||<sup>3</sup>He&nbsp;(0,82&nbsp;MeV)|| + ||n<sup>0</sup>&nbsp;(2,45&nbsp;MeV)||colspan="4"| (zu 50 %)
|-
| colspan="12" style="border-top:2px solid #000000;"|
|-
|(3)||<sup>2</sup>D&nbsp;||+||<sup>3</sup>He||→||<sup>4</sup>He&nbsp;(3,6&nbsp;MeV)|| + ||p<sup>+</sup>&nbsp;(14,7&nbsp;MeV)
|-
|(4)||<sup>3</sup>T|| + ||<sup>3</sup>T|| → ||<sup>4</sup>He||  + ||2&nbsp;n||colspan="4"| +&nbsp;11,3&nbsp;MeV
|-
|(5)||<sup>3</sup>He|| + ||<sup>3</sup>He|| → ||<sup>4</sup>He||  + ||2&nbsp;p||colspan="4"| +&nbsp;12,9&nbsp;MeV
|-
| colspan="12" style="border-top:2px solid #000000;"|
|-
| (6a)
| <sup>3</sup>He
| +
| <sup>3</sup>T
| →
|<sup>4</sup>He
| + ||p|| + ||n||+&nbsp;12,1&nbsp;MeV
| (zu 57 %)
|-
|(6b)
| <sup>3</sup>He
| +
| <sup>3</sup>T
| → ||<sup>4</sup>He&nbsp;(4,8&nbsp;MeV)|| + ||<sup>2</sup>D&nbsp;(9,5&nbsp;MeV) || || ||
|colspan="4"| (zu 43 %)
|-
| colspan="12" style="border-top:2px solid #000000;"|
|-
|(7a)
|rowspan="4"|<sup>2</sup>D
|rowspan="4"| +
|rowspan="4"|<sup>6</sup>[[Lithium|Li]]
| → ||colspan="3"|2&nbsp;<sup>4</sup>He&nbsp;(je 11,2&nbsp;MeV)
|-
|(7b)|| → ||<sup>3</sup>He|| + ||<sup>4</sup>He|| + ||n|| +&nbsp;1,8&nbsp;MeV
|-
|(7c)|| → ||<sup>7</sup>Li&nbsp;(0,6&nbsp;MeV)|| + ||p&nbsp;(4,4&nbsp;MeV)
|-
|(7d)|| → ||<sup>7</sup>[[Beryllium|Be]]&nbsp;(0,4&nbsp;MeV)|| + ||n&nbsp;(3,0&nbsp;MeV)
|-
|(8)||p|| + ||<sup>6</sup>Li|| → ||<sup>4</sup>He&nbsp;(1,7&nbsp;MeV)|| + ||<sup>3</sup>He&nbsp;(2,3&nbsp;MeV)
|-
|(9)||<sup>3</sup>He|| + ||<sup>6</sup>Li|| → ||2&nbsp;<sup>4</sup>He|| + ||p||colspan="4"| +&nbsp;16,9&nbsp;MeV
|-
|(10)||p|| + ||<sup>11</sup>[[Bor|B]]|| → ||3&nbsp;<sup>4</sup>He||+&nbsp;||8,7&nbsp;MeV
|-
|(11a)||p|| + ||<sup>7</sup>Li|| → ||2&nbsp;<sup>4</sup>He||+&nbsp;||17,2&nbsp;MeV
|-
|(11b)||p|| + ||<sup>7</sup>Li|| → ||<sup>7</sup>Be|| + ||n||
|}

=== Deuterium/Tritium ===
Für irdische Kernfusionsreaktoren ist ein Gemisch aus gleichen Teilen der Wasserstoff-Isotope [[Deuterium]] (D) und [[Tritium]] (T) der bei weitem aussichtsreichste Brennstoff. Damit diese Fusionsreaktion – Reaktion&nbsp;(1) in der obigen Tabelle – selbstständig abläuft, muss das [[Lawson-Kriterium]] (ein Mindestwert für das Produkt aus Temperatur, Teilchendichte und [[Lawson-Kriterium#DT-Plasma im Gleichgewicht|Energieeinschlusszeit]]) erfüllt sein. Daraus ergibt sich eine benötigte Temperatur von ca. 150&nbsp;Mio.&nbsp;K (zehnmal höher als im Kern der Sonne) und ein Druck von einigen Bar (mehrere Größenordnungen geringer als im Kern der Sonne). Bei diesen technisch erreichbaren Werten ist der Wirkungsquerschnitt der DT-Reaktion weit größer als der für den ersten Schritt der Proton-Proton-Reaktion.

Zur Nutzung der DT-Reaktion als Energiequelle auf der Erde werden in internationaler Zusammenarbeit Fusionsreaktoren mit [[Fusion mittels magnetischen Einschlusses|magnetischem Einschluss]] des Plasmas entwickelt, wobei es bisher (2020) vor allem darum geht, ein stabiles Plasma zu erzeugen. Dafür werden fast ausschließlich Wasserstoff, Deuterium oder Gemische daraus verwendet, nur in seltenen Fällen auch das radioaktive Tritium. Die meisten plasmaphysikalischen und technischen Probleme bezüglich Heizung, Stabilisierung und Diagnostik können mit Wasserstoff und Deuterium untersucht werden. Die für das Erfüllen des Lawson-Kriteriums erforderliche [[Lawson-Kriterium#DT-Plasma im Gleichgewicht|Energieeinschlusszeit]] ist noch nicht erreicht; die bisherigen (Stand 2016) Versuchsanlagen sind dafür zu klein. Die DT-Fusion ist mit [[Joint European Torus|JET]] für kurze Zeit demonstriert worden. Ein physikalischer Energiegewinn, d.&nbsp;h. eine Energiefreisetzung, die die zur Plasmaaufheizung aufgewandte Energie übersteigt, soll mit [[ITER]] erreicht werden. Die erste Stromproduktion ist mit [[DEMO]] vorgesehen.

=== Deuterium/Deuterium ===
Zwei Reaktionskanäle sind etwa gleich häufig:

:<math>\mathrm{D} + \mathrm{D} \ \rightarrow \ \mathrm{p} + \mathrm{T} + 4{,}0 \; \mathrm{MeV}</math>
:<math>\mathrm{D} + \mathrm{D} \ \rightarrow \ \mathrm{n} + {}^3\!\,\mathrm{He} + 3{,}3 \; \mathrm{MeV}</math>

Für eine Kraftwerksnutzung sind die Nachteile gegenüber DT der viel kleinere Energiegewinn und der viel kleinere [[Wirkungsquerschnitt]], was die erforderliche Einschlusszeit erhöht. Bei nennenswertem Umsatz der DD-Reaktion (insbesondere in Bomben) tritt als Folgereaktion die DT-Reaktion auf, sowie zusätzlich die Reaktionen:

:<math>\mathrm{p} + \mathrm{T} \ \rightarrow \ {}^4\!\,\mathrm{He} + \gamma + 19{,}8 \; \mathrm{MeV}</math>
:<math>\mathrm{D} + \! ^3\mathrm{He} \ \rightarrow \ \mathrm{p} + {}^4\!\,\mathrm{He} + 18{,}3 \; \mathrm{MeV}</math>
:<math>\mathrm{T} + \mathrm{T} \ \rightarrow \ 2 \,\mathrm{n} + {}^4\!\,\mathrm{He} + 11{,}3 \; \mathrm{MeV}</math>

=== Deuterium/Helium-3 und Helium-3/Helium-3 ===
Der [[Helium]]-3-Kern ist der [[Spiegelkern]] zum Tritiumkern: er enthält 2 Protonen und 1 Neutron statt 1 Proton und 2 Neutronen. Die D-<sup>3</sup>He-Reaktion (Nr. (3) der Tabelle), oben bereits als Folgereaktion der Deuterium-Deuterium-Fusion aufgeführt, liefert dementsprechend einen Helium-4-Kern und ein Proton von 15&nbsp;MeV Energie. Allerdings muss die höhere Abstoßung des doppelt geladenen Helium-3-Kerns überwunden werden. Die Umsetzung der kinetischen Energie des Protons in nutzbare Form wäre einfacher als beim Neutron. Gleichzeitig würden auch Deuteriumionen untereinander zu Protonen und Tritium oder zu Neutronen und Helium-3 reagieren. Dadurch würden sich ebenfalls Neutronen bilden. Wird das Tritium nicht aus dem Reaktionsgas entfernt, kommt es auch durch D-T-Reaktionen zur Neutronenfreisetzung.

In einem ''allein'' mit <sup>3</sup>He betriebenen Fusionsreaktor (Reaktion (5)) gäbe es noch viel weniger Radioaktivität, da nur ein He-4-Kern und Protonen entstehen. Allerdings müssten für die Reaktion

:<math> \mathrm{^3He + \! ^3He \ \rightarrow \ ^4He + \ 2 \ p + 12{,}9 \; MeV} </math>

noch größere Abstoßungskräfte überwunden werden. Bei den hohen Temperaturen des Plasmas würde mit einer gewissen Reaktionsrate durch inversen [[Beta-Zerfall]] aus He-3 und Elektronen Tritium entstehen.

Eine grundsätzliche Schwierigkeit liegt in der Verfügbarkeit von He-3, das auf der Erde nur in geringer Menge vorhanden ist. Größere Mengen He-3 sind in Mondgestein nachgewiesen worden. Für eine mögliche Gewinnung auf dem Mond und Transport zur Erde müssten die technische Machbarkeit nachgewiesen und das Kosten-Nutzen-Verhältnis abgewogen werden.

=== Weitere denkbare Brennstoffe ===
Der He-4-Atomkern weist im Vergleich zu seinen Nachbarnukliden eine besonders hohe [[Bindungsenergie]] pro Nukleon auf; dies erklärt den großen Energiegewinn der DT-Reaktion (siehe oben), und deshalb sind auch andere Reaktionen leichter Nuklide, soweit sie He-4 erzeugen, als Energiequelle denkbar.<ref>Weston M. Stacey: ''Fusion. An Introduction to the Physics and Technology of Magnetic Confinement Fusion.'' 2010, S. 1.</ref> Die Schaffung der erforderlichen Bedingungen bereitet jedoch noch viel größere Schwierigkeiten, denn die Abstoßung zwischen den mehrfach geladenen Atomkernen ist stärker als zwischen den Wasserstoffkernen. Ein Beispiel ist die Bor-Proton-Reaktion (Nr. (10))

:<math> \mathrm{^{11}B + \! p \ \rightarrow \ 3 \; ^4He + 8{,}7 \; MeV} </math>.

Sie hätte ebenso wie die <sup>3</sup>He-<sup>3</sup>He-Reaktion den Vorteil, keine Neutronen freizusetzen. Für sie müssten im Vergleich zur DT-Reaktion die Temperatur etwa zehnmal höher und die Einschlusszeit 500-mal länger sein. Die Energieverluste des Fusionsplasmas durch [[Bremsstrahlung]] stellen aufgrund der nötigen hohen Temperaturen und der Kernladung des Bors eine bisher unüberwindbare physikalische Grenze dar.

=== Kernfusion mit polarisierten Teilchen ===
Die Reaktionsraten der Fusionsreaktionen sind von einer eventuellen [[Spinpolarisation]] der beteiligten Ionen abhängig. So könnte der Wirkungsquerschnitt der DT- oder der D-<sup>3</sup>He-Fusionsreaktion um bis zu 50 % erhöht werden, wenn die Spins der beteiligten Teilchen parallel ausgerichtet wären.<ref>{{Literatur |Autor=[[Hans Paetz gen. Schieck|H. Paetz gen. Schieck]] |Titel=The status of “polarized fusion” |Sammelwerk=The European Physical Journal A |Band=44 |Nummer=2 |Datum=2010-05 |ISSN=1434-6001 |Seiten=321–354 |Sprache=en |Online=http://link.springer.com/10.1140/epja/i2010-10964-4 |Abruf=2023-06-28 |DOI=10.1140/epja/i2010-10964-4}}</ref> Außerdem könnten die bevorzugten Emissionsrichtungen der Reaktionsprodukte beeinflusst werden. Damit ließe sich im Prinzip die Energieauskopplung etwas vereinfachen und die Lebensdauer der [[Blanket]]teile erhöhen. Allerdings ist offen, wie die für einen Reaktorbetrieb erforderlichen Mengen polarisierten Brennstoffs hergestellt, in das Plasmagefäß gebracht und dort gegen Depolarisationseffekte geschützt werden können.

=== Kalte Fusion ===
[[Kalte Fusion]] ist die Bezeichnung für Kernfusionsreaktionen ohne heißes Plasma. Damit sollte der Aufwand zur Energiegewinnung mittels Kernfusion überschaubar bleiben. Die meisten Verfahren  entpuppten sich nach einem kurzen Hype in den 1980er-Jahren als [[pathologische Wissenschaft]] ohne eigentliche Funktion oder praktischen Nutzen. Eine Ausnahme ist die [[Pyrofusion]], die zwar prinzipiell funktioniert, aber nur als Neutronenquelle, jedoch nicht zur Energiegewinnung nutzbar ist.

== Technische Anwendungen ==

=== Stromerzeugung ===
{{Hauptartikel|Fusionsenergie}}

In internationaler Kooperation  wird erforscht, ob und wie sich Fusionsenergie zur [[Stromerzeugung]] nutzen lässt. Der erste wirtschaftlich nutzbare Reaktor wird, falls sich die technologischen Hindernisse überwinden lassen und die politische Entscheidung zugunsten der neuen Technologie fallen sollte, aus heutiger Sicht nicht vor 2050 erwartet.<ref>{{Internetquelle |autor=Armin Grunwald, Reinhard Grünwald, Dagmar Oertel, Herbert Paschen |url=https://www.tab-beim-bundestag.de/de/pdf/publikationen/berichte/TAB-Arbeitsbericht-ab075.pdf |titel=Sachstandsbericht Kernfusion |hrsg=Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag |datum=2002-03 |format=PDF |abruf=2014-10-09}}</ref> Ein großtechnischer Einsatz könnte dann im letzten Viertel des 21. Jahrhunderts erfolgen.<ref>{{Webarchiv |url=http://www.iter.org/proj/iterandbeyond |text=''ITER and beyond. On to DEMO'' |wayback=20120922162049}}. Webseite der ITER-Organisation. Abgerufen am 4. Juli 2013.</ref><ref>{{Webarchiv |url=https://www.euro-fusion.org/fusion/why-fusion-research/cost/ |text=''Why fusion research? – Cost'' |wayback=20150409141515}}. Webseite von EURO''fusion''. Abgerufen am 1. November 2014.</ref><ref>[https://www.euro-fusion.org/wpcms/wp-content/uploads/2013/02/JG12.356-web.pdf ''A roadmap to the realisation of fusion energy'']. EFDA Roadmap</ref>

=== Physikalische Forschung, Neutronenquellen ===
Fusionsreaktionen lassen sich wie andere Kernreaktionen mittels [[Teilchenbeschleuniger]]n im Labor zu physikalischen Forschungszwecken durchführen. Die oben genannte Deuterium-Tritium-Reaktion wird so zur Erzeugung schneller freier Neutronen verwendet.

=== Atomwaffen ===
In [[Wasserstoffbombe]]n läuft die Deuterium-Tritium-Reaktion unkontrolliert ab, wobei das [[Tritium]] meist erst während der Explosion aus [[Lithiumdeuterid|Lithium]] gewonnen wird. Die größte je getestete Wasserstoffbombe, die [[Zar-Bombe]], erreichte eine Sprengkraft von 57 Megatonnen TNT. Aber auch viele Atombomben enthalten einige Gramm eines Deuterium-Tritium-Gemischs im Inneren der Hohlkugel aus Nuklearsprengstoff. Nach Beginn der Kettenreaktion wird diese ausreichend aufgeheizt, um die Kernfusion zu starten. Die dabei in großer Zahl freigesetzten Neutronen intensivieren die Kettenreaktion im Nuklearsprengstoff.<ref>{{Internetquelle |autor=Phillip Hays PhD LT USNR-R |url=http://www.okieboat.com/How%20nuclear%20weapons%20work.html |titel=How Nuclear Weapons Work |datum=2017-12-28 |sprache=en |abruf=2023-06-28}}</ref>

Seit Einstellung der [[Kernwaffe]]n-Testexplosionen ([[Kernwaffenteststopp-Vertrag]]) werden Fragen der Funktionssicherheit und der Weiterentwicklung von Atomwaffen unter anderem ausschließlich mit Computersimulationen und Hochenergie-Anlagen (z. B. [[National Ignition Facility|NIF]]) untersucht. Die dafür nötigen genauen Materialparameter werden unter anderem durch Experimente zur lasergetriebenen [[Trägheitsfusion]] ermittelt.

== Literatur ==

=== Berichte und Andere ===
* {{Literatur
   |Autor=A. Grunwald, R. Grünwald, D. Oertel, H. Paschen
   |Titel=Kernfusion. Sachstandsbericht
   |Verlag=Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB)
   |Datum=2002
   |DOI=10.5445/IR/1000102229}}
* {{Literatur
   |Autor=Gov.uk
   |Titel=Towards Fusion Energy: The UK Government’s Fusion Strategy
   |Verlag=Department for Business, Energy & Industrial Strategy
   |Datum=2021
   |Sprache=en
   |Online=https://www.gov.uk/government/publications/towards-fusion-energy-the-uk-fusion-strategy}}
* {{Literatur
   |Autor=BMBF
   |Titel=Positionspapier Fusionsforschung: Auf dem Weg zur Energieversorgung von morgen
   |Verlag=Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
   |Datum=2023
   |Online=https://www.bmbf.de/bmbf/shareddocs/kurzmeldungen/de/2023/06/positionspapier-fusionsforschung.html}}
* {{Literatur
   |Autor=BMBF
   |Titel=Memorandum Laser Inertial Fusion Energy
   |Verlag=Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
   |Datum=2023
   |Online=https://www.bmbf.de/SharedDocs/Downloads/de/2023/230522-memorandum-laser-inertial-fusion-energy.html}}

=== Fachartikel ===
* Siehe die Fachartikel des Fusionforschers [[Richard Post|Richard F. Post]].
* [[Alexander M. Bradshaw]], Thomas Hamacher: ''Kernfusion – Eine nachhaltige Energiequelle der Zukunft''. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(12), S. 629–637 (2005), {{ISSN|0028-1050}}

=== Fachbücher oder Monographien ===
* {{Literatur
   |Autor=Kyoji Nishikawa, [[Masahiro Wakatani]]
   |Titel=Plasma Physics
   |Verlag=Springer Berlin Heidelberg
   |Ort=Berlin, Heidelberg
   |Datum=2000
   |ISBN=3-642-08465-6
   |DOI=10.1007/978-3-662-04078-2}}
* {{Literatur
   |Hrsg=Mitsuru Kikuchi, Karl Lackner, Minh Quang Tran
   |Titel=Fusion Physics
   |Reihe=Publication / Division of Scientific and Technical Information, International Atomic Energy Agency
   |BandReihe=1562
   |Verlag=International Atomic Energy Agency
   |Ort=Vienna
   |Datum=2012
   |ISBN=978-92-0-130410-0
   |Online=https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1562_web.pdf}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Francis F. Chen]]
   |Titel=Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion
   |Verlag=Springer International Publishing
   |Ort=Cham
   |Datum=2016
   |ISBN=978-3-319-22308-7
   |Sprache=en
   |DOI=10.1007/978-3-319-22309-4}}
* {{Literatur
   |Autor=Alexander Piel
   |Titel=Plasma Physics
   |Reihe=Graduate Texts in Physics
   |Verlag=Springer International Publishing
   |Ort=Cham
   |Datum=2017
   |ISBN=978-3-319-63425-8
   |Sprache=en
   |DOI=10.1007/978-3-319-63427-2}}

=== Historisch und Klassiker ===
* {{Literatur
   |Autor=Albert Simon
   |Titel=An Introduction to Thermonuclear Research
   |Reihe=International Series of Monographs in Nuclear Energy
   |BandReihe=XIV Plasma Physics and Thermonuclear Research
   |HrsgReihe=R. A. Charpie, J. V. Dunworth
   |Verlag=Pergamon Press
   |Ort=London&#8239;; New York&#8239;; Paris&#8239;; Los Angeles
   |Datum=1959
   |Sprache=en
   |Online=https://archive.org/details/introductiontoth0000simo
   |Abruf=2024-01-16}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Subrahmanyan Chandrasekhar]]
   |Titel=Plasma Physics
   |Verlag=Phoenix Books (University of Chicago Press)
   |Datum=1962
   |Sprache=en
   |Online=https://archive.org/details/plasmaphysicscou0000chan}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Lyman Spitzer]]
   |Titel=Physics of Fully Ionized Gases
   |Auflage=2nd rev. ed., Dover ed
   |Verlag=Dover Publications
   |Ort=Mineola, N.Y
   |Datum=2006
   |ISBN=0-486-44982-3
   |Sprache=en
   |Originaltitel=idem
   |Originaljahr=1962
   |Online=https://archive.org/details/physicsoffullyio0000spit}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Samuel Glasstone]], Ralph H. Lovberg
   |Titel=Controlled Thermonuclear Reactions
   |Verlag=Robert E. Krieger Publishing Company
   |Datum=1975
   |Sprache=en
   |Online=https://archive.org/details/controlledthermo00glas}}

== Dokumentationen ==
* [https://www.3sat.de/dynamic/sitegen/bin/sitegen.php?source=/hitec/131862/index.html ''Der Traum von der Kernfusion''] aus der Fernseh-Sendereihe [[Hitec]], 23. März 2009.
* {{Alpha Centauri|114}}
* [[Thomas Klinger (Physiker)|Thomas Klinger]]: Was leistet die Kernfusion und wie sicher ist sie? Interviewerin: Susanne Päch. [http://www.hyperraum.tv/2012/10/16/experten-talk-prof-thomas-klinger/ hyperraum.tv] 2012.
* [https://www.3sat.de/wissen/wissenschaftsdoku/231102-sendung-hoffnung-kernfusion-wido-100.html ''Hoffnung Kernfusion - Der Traum von unendlich viel sauberer Energie.''] TV-Dokumentation in [[High Definition Television|HD]], Deutschland 2023 für [[ZDF]] und [[3sat]].
* [https://www.arte.tv/de/videos/114191-000-A/versprechen-kernfusion/ ''Versprechen Kernfusion? Der Wettlauf um die Energie der Zukunft.''] Originaltitel: ''Fusion nucléaire - Les Promesses d'une énergie.'' TV-Dokumentation in [[High Definition Television|HD]], D / F / USA 2023, deutsche Synchronfassung: D 2023 für [[Hessischer Rundfunk|HR]] / [[arte]]. ([https://www.youtube.com/watch?v=Oq9yTKmEtLo permanent abrufbar auf: ''youtube.com'')].
* [https://www.uni-kassel.de/uni/aktuelles/meldung/2025/03/14/wenn-wir-in-80-jahren-noch-die-fenster-oefffnen-wollen?cHash=9f35afb4f3343e5c884fb8f96d135f61 "Warum die Kernfusion erst im 22. Jahrhundert kommt."] Podcast mit Prof. Dr. Clemens Hoffmann, abgerufen am 17. März 2025.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Nuclear fusion|Kernfusion|audio=1|video=1}}
{{Wiktionary}}

=== Fachseiten ===
* {{cite web|url=https://www.pppl.gov/fusionbasics.cfm|title=Fusion Basics|author=[[Princeton Plasma Physics Laboratory]] (PPPL)| accessdate=2013-09-24|language=en}}
* {{cite web|url=https://www.ipp.mpg.de/ippcms/de/pr/fusion21/kernfusion/index.html|title=Was ist Kernfusion?|author=[[Max-Planck-Institut für Plasmaphysik]]| accessdate=2023-06-28|website=MPG IPP}}
* {{Internetquelle
   |autor=Constantin Häfner
   |url=https://www.fraunhofer.de/de/forschung/fraunhofer-strategische-forschungsfelder/ressourceneffizienz-klimatechnologien/kernfusion.html
   |titel=Energiesouveränität – langfristig durch Kernfusion?
   |werk=Fraunhofer-Gesellschaft
   |abruf=2023-06-28}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kernfusion| ]]
[[Kategorie:Kernchemie]]
[[Kategorie:Astrophysikalischer Prozess]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]