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Bei der Kernfusion, wie man sie für die Energiegewinnung nutzen will, verschmelzen zwei leichtere Kerne zu einem schwereren. Dabei ist das gemeinsame Gewicht der zwei leichteren Kerne immer noch größer als das des schwereren Kerns. Die "fehlende" Masse wurde bei dieser Reaktion direkt in Energie umgewandelt. (Massendefekt) Diese Energie wird in Form von Hitze frei - die Reaktion ist folglich eine stark exotherme Reaktion.
Atomkerne sind positiv geladen, stoßen sich also gegenseitig ab. Diese elektrische Kraft, welche bei weitem größer als die Gravitationskraft ist, nennt sich "Coulomb-Kraft". Sie verstärkt sich je näher die beiden Atomkerne zueinander kommen. Sollten sich die Atomkerne aber nahe genug gekommen sein, so wird eine anziehende Kraft wirksam, welche die Fusion der beiden Kerne erlaubt. Diese Annäherung ist aber nur möglich, wenn die Atomkerne eine genügend hohe Geschwindigkeit besitzen. In einem Gas oder Plasma bewegen sich die Atome unabhängig von einander - es ist also nur der Durchschnitt aller Geschwindigkeiten von Relevanz. Haben die Teilchen im Mittel eine hohe Geschwindigkeit, so spricht man von einer hohen Temperatur (Kelvin) oder hoher Bewegungsenergie (angegeben in Elektronenvolt eV). Die für die Fusion benötigte Geschwindigkeit wird nur in Teilchenbeschleunigern oder in Plasma mit einer sehr hohen Temperatur erreicht.
Der Atomkern selbst besteht aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen - die so genannten Nukleonen. Die Masse eines Atomkerns ist im Allgemeinen kleiner als die Masse seiner Nukleonen (Kernteilchen). Diese Massendifferenz m wird nach Einsteins Formel (E = mc²) bei der Entstehung eines Atomkerns aus Nukleonen in Form von kinetischer Energie oder als eine elektromagnetische Welle freigesetzt.
Leichtere Elemente, wie Wasserstoff, oder 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).
Bei der Fusion (Verschmelzung) von leichten Atomkernen erhält man ebenfalls Energie.
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.
Der Energieoutput durch Fusion bzw. Fission lässt sich aus dieser Grafik insofern abschätzen, als dass man die Differenz der Kernbindungsenergien betrachtet.
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