Warum können nur leichte Kerne eine Kernfusion eingehen, nicht schwere Kerne?

Auch schwerere Kerne können fusionieren, aber das ist für die Energieerzeugung nicht sehr nützlich. Einer der Gründe ist, wie Sie bereits erwähnt haben, die Bindungsenergie pro Nukleon. Werfen wir einen Blick auf die Bindungsenergiekurve (Bild aus Wikipedia ):

Eisen-56 hat die höchste Bindungsenergie pro Nukleon, was bedeutet, dass es der stabilste Kern ist. Grob gesagt können Elemente, die in diesem Diagramm von Eisen-56 übrig bleiben, durch Fusion Energie freisetzen. Sie könnten auch Elemente verschmelzen, die schwerer als Eisen-56 sind, aber das kostet Sie nur Energie.

Eine weitere Einschränkung, welche Fusionsreaktionen für die Energieerzeugung nützlich sind, ist die Coulomb-Barriere. Wenn Sie zwei Kerne miteinander verschmelzen wollen, müssen Sie sie sehr nahe zusammenbringen, innerhalb der Reichweite der Kernkraft . Denken Sie jedoch daran, dass die Kerne aus Neutronen und Protonen bestehen und daher positiv geladen sind. Das heißt, um zwei Kerne sehr nahe zusammenzubringen, muss man auch gegen die Coulomb-Kraft arbeiten, die versucht, sie auseinander zu drücken.

Wenn Sie schwerere Kerne verwenden, haben sie mehr Protonen, und daher nimmt die Coulomb-Abstoßung zwischen den Kernen zu. Das bedeutet, dass Sie mehr Energie aufwenden müssen, um die Kerne miteinander zu verschmelzen. Da dies nur die Effizienz des Verfahrens beeinträchtigt, ist es günstig, leichtere Kerne für Kernfusionsreaktoren zu verwenden.

Eine Analogie: Nukleonen kleben wegen eines starken Klebers zusammen (weil sie sonst auseinander fliegen würden, insbesondere Protonen, weil sie positiv geladen sind und sich daher abstoßen). Größere Kerne benötigen mehr Klebstoff, aber bis Sie ungefähr 26 Protonen (dh Eisen) erreichen, nimmt die Klebstoffmenge für jedes zusätzliche Nukleon ab. Nach diesem Punkt beginnt es wieder zu steigen. Es gibt eine Art strukturelle Eigenart, die es einem Eisenkern ermöglicht, mit weniger Klebstoff (pro Nukleon) zusammenzupassen als jeder andere Kern.

Wenn Sie also einen schweren Kern nehmen und ihn auseinanderbrechen, erhalten Sie zusätzlichen Klebstoff, da die Teile zusammen weniger Klebstoff verbrauchen als der schwere Kern. Das ist Spaltung: Der zusätzliche Kleber ist zusätzliche Energie.

Wenn Sie leichte Kerne nehmen und sie zusammendrücken, bis sie haften, erhalten Sie ebenfalls zusätzlichen Klebstoff: Das Fusionsprodukt verbraucht weniger Klebstoff als das, mit dem Sie in den beiden nicht verschmolzenen Kernen begonnen haben.

Fusion mit nicht-leichten Kernen ist möglich, aber zunehmend schwieriger, weil:

• Kerne stoßen sich gegenseitig ab, bis sie nahe genug sind, damit die starke Wechselwirkung (der "Kleber") übernehmen kann. Kerne mit mehr Protonen haben eine größere elektrische Ladung, sodass sie sich stärker abstoßen. Um sie zum Verschmelzen zu bringen, müssen Sie sie heftiger zusammenschlagen.

• Je schwerer die Quellenelemente sind, desto weniger zusätzlichen Klebstoff erhalten Sie aus der Fusion. Jenseits von Eisen ist die Bilanz negativ: Es braucht zusätzliche Energie, damit die Fusion funktioniert. Sie müssen also nicht nur besonders stark drücken, um sie zu verschmelzen, sondern die Fusion wird auch Ihre Temperatur absaugen, dh genau das, was Sie verwenden, um die Fusion zu bewirken.

Überlegen Sie, was in großen Sternen passiert: Normalerweise verschmelzen sie Wasserstoff, aber wenn ihnen der Wasserstoff ausgeht, ziehen sie sich zusammen und ihre innere Temperatur steigt, bis die höhere Temperatur die Verschmelzung schwererer Elemente ermöglicht. Letztendlich führen die ganz großen Sterne zu unrentablen Fusionen und können sehr schwere Kerne wie Uran produzieren, wenn auch in sehr geringen Mengen. So könnten wir mit Uran auf der Erde landen.

Bei irdischen Anwendungen wie der Stromerzeugung oder der Kriegsführung interessieren wir uns für Reaktionen, die Energie erzeugen, nicht für Reaktionen, die Energie verbrauchen, daher verwenden wir Fusion für leichte Kerne und Spaltung für schwere Kerne.

Es gibt einen interessanten Fall mit Helium. Helium verbraucht besonders wenig „Klebstoff“, weniger als das schwerere Lithium, daher lohnt es sich energetisch, die Lithiumspaltung zu betreiben. Ein Lithiumspaltungszyklus verwandelt zwei Lithium-6-Kerne in drei Helium-4-Kerne, als zwei aufeinanderfolgende Spaltungen, an denen Protonen als Katalysatoren beteiligt sind. Dies ist auf dem Papier sehr schön, weil es nur relativ häufige Elemente beinhaltet, einer "Kettenreaktion" zugänglich zu sein scheint (da Sie die Katalysatorprotonen mit zusätzlicher Energie zurückerhalten) und aneutronisch ist, daher theoretisch "sauber". Leider erweist sich diese Lithium-Spaltung als nicht nachhaltig, weil die „Katalysator-Protonen“ in jedem anständigen Plasma sehr schnell ihre Energie verlieren – der „Ketteneffekt“ funktioniert nicht gut.

Nun, wir sind uns alle der Tatsache bewusst, dass jedes System versucht, seine potenzielle Energie zu minimieren. Nun ist die potenzielle Energie von schweren Kernen größer als die von leichten Kernen. Wenn es auf FUSION stoßen würde, würde dies zu einer Verringerung der Bindungsenergie GEMÄSS DER BINDUNGSENERGIEKURVE führen

Daher würde die Spaltung zu einer höheren Bindungsenergie führen und wird daher bevorzugt. Bei leichteren Kernen würde die Spaltung jedoch zu einer Verringerung der Bindungsenergie führen, daher wird hier die Fusion bevorzugt. Umgekehrt kann es passieren, aber es kostet Sie Energie .