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Tunneleffekt


Quantenphysik


Basiswissen


Quantenphysikalische Objekte ändern ihren Zustand nach Zufallsgesetzen. Dadurch ergeben sich oft von Null verschiedene Wahrscheinlichkeiten für klassisch betrachtet unmögliche Zustandsänderungen. Diesen Effekt nennt man den Tunneleffekt.

Der Tunneleffekt am Beispiel des Wasserstoffbrennens


Als Wasserstoffbrennen bezeichnet man die Erzeugung von Wärmeenergie im Inneren von Sonnen. Der zugrundeliegende Prozess ist die Verschmelzung (Fusion) von Protonen, also den Kernen von Wasserstoffatomen. Um zu verschmelzen, müssen sich zwei Protonen ausreichend nahe sein. Auf größere Abstände überwiegt die abstoßende elektrische Coulomb-Kraft. Nur bei sehr Abständen von weniger als 3 mal 10 hoch minus 15 Metern überwiegen die anziehenden Kernkräfte. Diesen Coulombwall könnten die Protonen mit hohen Geschwindigkeiten überwinden. Sie bräuchten dafür eine Bewegungsenergie (kinetische Energie) von rund 250 keV (Kiloelektronenvolt). Tatsächlich haben aber die Protonen im Inneren der Sonne im Durchschnitt nur 2 keV an Bewegungsenergie. Zwar gibt es nach der Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung immer auch einige sehr schnelle Protonen. Doch bei den Temperaturen von 15 Millionen Kelvin im Inneren der Sonne wären das nur etwa 1200 Protonen in jeder Sekunde. Es fusionieren in der Sonne aber rund 3,6 mal 10 hoch 38 Protonen pro Sekunde. Diese große Anzahl von Protonen kann unmöglich alleine durch die hohe Temperatur im Sonneninneren den Coulombwall überwunden haben. Hier kommt der Tunneleffekt ins Spiel. Nach den Gesetzen der Quantenphysik haben Teilchen nie einen exakt festgelegten Aufenthaltsort. Ihre Ortslage streut über einen mehr oder minder großen Bereich. Durch diese Zufallsstreuungen ihrer momentanen Aufenthaltsorte können Protonen sozusagen gleichzeitig diesseits und jenseits des Coulombwalls sein. Damit geraten sie dann mit einer gewissen stochastischen Wahrscheinlichkeit in den Bereich der stark anziehenden Kernkräfte und es kommt zur Kernfusion ↗

Die Deuterium-Tritium-Reaktion


Die beste Energieausbeute bietet die Fusion von Wasserstoffkernen zu Heliumkernen. So gewinnt unsere Sonne ihre Energie und so funktionieren auch Wasserstoffbomben. In Frage kommen dabei sowohl Deuterium-Deuterium-Reaktionen wie auch Deuterium-Tritium-Reaktionen. Beide können funktionieren. Die Reaktionsfreudigkeit bei der zweiten Art ist jedoch 20 mal höher als bei der ersten Reaktionsart. Auch benötigt man bei Deuterium-Tritium-Reaktionen nur ein Drittel der Temperatur von Deuterium-Deuterium-Reaktionen. Sie ist daher die von Kernphysiker technologisch bevorzugte Reaktionsart. Siehe mehr dazu im Artikel zur Deuterium-Tritium-Reaktion ↗

Ist der Brennstoff wirklich unbegrenzt verfügbar?


Brennstoff für die Deuterium-Deuterium-Reaktion ist nahezu unbegrenzt verfügbar. Diese Reaktion ist aber weniger effizient und technisch schwieriger zu realisieren als die Deuterium-Tritium Reaktion. Tritium kommt in der Natur nicht in wirtschaftlich sinnvoll abbaubaren Lagerstätten vor. Es kann auch nicht sinnvoll aus normalen Wasser angereichert werden. Die übliche Quelle für Trititum sind klassische Atomkraftwerke auf Basis von Kernspaltung. Diese müssten als Tritiumquellen für den Betrieb von Fusionsreaktoren also weiter betrieben werden. Zwar ist es möglich Tritium auch im Fusionsreaktor selbst herzustellen. So kann man das Plasma mit einem Lithium-Mantel umgeben. In diesem entstehen durch den Beschuss mit Neutronen aus der Fusion Tritium-Atome. Doch genügt die Ausbeute nicht, um einen Fusionsreaktor vollständig damit zu versorgen. Man muss also entweder Fissions-Reaktoren als Tritiumquelle nutzen oder auf die technisch aufwändigere Deuterium-Deuterium-Reaktion ausweichen.[1]


Fußnoten