Astro-Lexikon I 3

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Ein Atom besteht aus einer Atomhülle und einem Atomkern. In der Atomhülle befinden sich elektrisch negativ geladene Elektronen, die zur Familie der Leptonen gehören. Im Atomkern gibt es elektrisch positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen; beide Teilchensorten werden als Nukleonen (Kernteilchen) zusammengefasst.
Die Atome können zu unterschiedlichen chemischen Elementen gehören, die alle im Periodensystem der Elemente (PSE) aufgelistet sind. In der Kernphysik charakterisiert man eindeutig den Atomkern, der ja nur aus Nukleonen besteht, durch die Angabe der Protonenanzahl und der Neutronenzahl. Um sofort die Elementinformation zu haben, geben die Kernphysiker folgende Zahlen an:

• Protonenanzahl oder Kernladungszahl Z,
• Atommasse A,
• und Elementsymbol X.

Diese drei Angaben werden in der Form ^A_ZX notiert; da eigentlich eine Zahl überflüssig ist, liest man auch häufig nur X-A.

Zur Atommasse

Die Atommasse A ergibt sich gerade als Summe der Protonenzahl und Neutronenzahl. Sie wird in atomaren Masseneinheiten u angegeben. Eine atomare Masseneinheit ist definiert als der zwölfte Teil der Masse eines Kohlenstoffatoms mit der Bezeichnung C-12. Möchte man die Atommasse in die Si-Einheit Kilogramm oder in die Energieeinheit Elektronenvolt umrechnen, so gilt:

1 u = 1.6605402 × 10^-27 kg ~ 931.4943 MeV

Beispiele

Nehmen wir an, es handelt sich um Kohlenstoff, der sechs Protonen und sechs Neutronen, also 12 Nukleonen hat. Die erste Schreibweise ist ¹²₆C und die zweite C-12. Ein Beispiel eines besonders schweren Elements ist Uran mit 92 Protonen und 146 Neutronen, also 238 Nukleonen. Hier schreibt man ²³⁸₉₂U bzw. U-238.

Was sind nun Isotope?

Das Isotop eines Elements hat nun die gleiche Anzahl an Protonen im Atomkern (also die gleiche Kernladungszahl Z) wie das betreffende Element, aber eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen (also eine andere Atommasse A).
Bezogen auf das obige Beispiel Kohlenstoff gibt es beispielsweise die Kohlenstoffisotope C-12 und C-14. C-14 hat zwei Neutronen mehr im Atomkern als C-12 und ist entsprechend schwerer, hat also eine größere Atommasse A. Bei Wasserstoff, Elementsymbol H, gibt es drei Isotope: einfacher Wasserstoff H-1 mit nur einem Proton, schwerer Wasserstoff H-2 mit einem Proton plus einem Neutron (Deuterium) und überschwerer Wasserstoff H-3 mit einem Proton und zwei Neutronen (Tritium).

Etymologie

Das Wort Isotop kommt aus dem Griechischen und bedeutet iso: 'gleich' und topos: 'Ort' - gemeint ist der gleiche Ort im Periodensystem der Elemente, denn Isotope verhalten sich chemisch gleich, weil sie alle dieselbe Protonenzahl haben. Sie unterscheiden sich nur in ihrem Gewicht und ihrem kernphysikalischen Verhalten.

Isotope in der Astrophysik

Die genaue Kenntnis des Isotops ist natürlich wichtig in der Kernphysik. Ein einfaches Beispiel ist die Bilanz in der Radioaktivität, wie α-Zerfall, β-Zerfall und γ-Zerfall.
In der Astronomie spielen Isotope eine wichtige Rolle in der Stellarphysik, nämlich bei der thermonuklearen Fusion im Innern von Sternen (stellare Nukleosynthese), in den Winden von Roten Riesen bzw. AGB-Sternen und bei kernphysikalischen Prozessen in Sternexplosionen wie den Supernovae. In der Kosmologie gab es eine frühe Epoche der kernphysikalischen Elementherstellung in der primordialen Nukleosynthese.

Seit Jahrzehnten plant ein internationales Konsortium ein ehrgeiziges und teueres Projekt: den Bau und die Inbetriebnahme von Fusionskraftwerken. In solchen Kraftwerken soll das Prinzip der Energieumwandlung genutzt werden, wie es auf der Sonne seit Jahrmilliarden abläuft: die thermonukleare Fusion.

ITER auf dem Weg

Die Planungsphase ist nun endlich in den Beginn der Bauphase übergetreten: Im Juli 2005 wurde beschlossen die internationale Fusionstestanlage ITER (lat. für 'Weg' oder 'Reise') in Cadarache (Südfrankreich) zu bauen. Man darf den Projektnamen wohl so verstehen, dass die internationale Kollaboration die wirtschaftliche Nutzung von Fusionsenergie auf den Weg bringen will. Das internationale Projekt steht zurzeit unter der Beteiligung der EU, der USA, Russland, Japan, China und Südkorea. Sie teilen sich die Baukosten von 4.6 Mrd. Euro für die Umsetzung des Projekts. Die Betriebskosten des Fusionskraftwerks werden sich jährlich wahrscheinlich auf 265 Mio. Euro belaufen.

Ziel: Machbarkeitsstudie der Fusionsenergie

Erklärtes Projektziel ist es, die Machbarkeit (den proof of concept) eines Fusionskraftwerks zu beweisen. Vor allem soll demonstriert werden, dass die kontrollierte Fusion Energie liefert, die wirtschaftlich genutzt werden kann. Ziel ist insbesondere ein Energiegewinnungsfaktor von mindestens 10, d.h. das Zehnfache der zur Plasmaheizung benötigten Energie soll wieder als Fusionsenergie frei werden. Nur dann sind Fusionskraftwerke wirtschaftlich lukrativ.

Prinzip des Fusionskraftwerkes

Das Prinzip des Fusionskraftwerkes ist es, das leichteste und häufigste Atom - Wasserstoff - zu Helium zu verschmelzen. Es handelt sich demnach um das oben beschriebene Wasserstoffbrennen, das nach dem Motto 'Pack die Sonne in den Tank' dauerhaft auf die Erde geholt werden soll. Das Brennstoffgemisch besteht aus den Wasserstoffisotopen Deuterium und Tritium, die aus einem Proton und einem Neutron bzw. einem Proton und zwei Neutronen bestehen. Auf der Erde müssen allerdings deutlich höhere Zündtemperaturen als im Sonneninnern ermöglicht werden, weil das irdische Plasma eine viel kleinere Dichte (10¹⁴ Teilchen/cm³) aufweist: 100 Millionen Grad sind nötig!

Herausforderung: Plasma soll extrem heiß bleiben

Um ein Abkühlen des Plasmas zu vermeiden, darf es auf keinen Fall die Wände des Reaktors berühren. Genau das ist ein gravierendes, technisches Problem. Das extrem erhitzte Plasma wird in einem schlauchförmigen Gebilde (Torus) mithilfe von starken Magnetfeldern eingeschlossen. Die Kunst besteht darin, die richtige Konfiguration der Magnetfelder zu ermitteln.
Im ITER-Projekt wurden folgende Eckdaten niedergelegt: In einem Plasmavolumen von 840 m³ soll für die Dauer von etwa fünf Minuten eine Fusionsleistung von 500 Megawatt produziert werden. Die aktuellen Energieprobleme wären mit Fusionskraftwerken gelöst: Nur ein Gramm des Brennstoffs könnte 90 Megawattstunden Energie freisetzen; das entspricht der Verbrennungswärme von elf Tonnen Kohle! Einziger Wermutstropfen ist, dass die Reaktorwände radioaktiv werden und sie ebenso wie der radioaktive Abfall der herkömmlichen Kernkraftwerke (Fissionskraftwerke) zwischengelagert werden müssen. Zum Glück ist die Halbwertszeit recht kurz.

Projektstatus & Ausblick

Nach dem nun beschlossenen Standort von ITER, wird es weitere zehn Jahre dauern bis der Bau abgeschlossen ist. Dann werden etwa 600 Mitarbeiter zwanzig Jahre lang am Projekt arbeiten. Wirtschaftlich nutzbar wird die Energie aus Fusion auf der Erde vermutlich erst in etwa 50 Jahren! Es ist sowohl zeitlich, als auch finanziell ein Mammutvorhaben, das jedoch hoffentlich eine 'astronomische Rendite' haben wird.
Energiewirtschaftlich gibt es langfristig kaum Alternativen, da fossile Brennstoffe wie Erdöl und Kohle, aber auch spaltbares Uran (U-235) begrenzt sind. Regenerative Energieressourcen wie die Solartechnik, Wind- und Gezeitenkraftwerke sind langfristig nach der aktuellen Einschätzung nur ein Additiv in der Energiewirtschaft, die den steigenden Energiebedarf einer modernen Zivilisation kaum decken wird.
Das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching begann schon seit den 1960er Jahren mit der Fusionsforschung und ist maßgeblich an ITER beteiligt. Die Pressemitteilung vom 01. Juli 2005 diente auch hier als Informationsquelle.

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© Andreas Müller, August 2007

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