Lithiumfusion

Die Lithiumfusion, auch als Lithiumbrennen bezeichnet, umfasst thermonukleare Reaktionen, durch die Lithium in Sternen abgebaut wird. Die Lithiumfusion spielt eine wichtige Rolle in der Nukleosynthese und beeinflusst die chemische Zusammensetzung und Entwicklung von Sternen, insbesondere massearmer Sterne und Brauner Zwerge. Die Umwandlung von Lithium-6 und Lithium-7 in Tritium durch Neutronenbeschuss ist ein vielversprechender Prozess für die Kernfusionstechnologie.

Lithiumfusion in Braunen Zwergen

In Sternen findet die Lithium-Fusion hauptsächlich durch Protonenbeschuss statt. Die häufigste Reaktion ist die Fusion von Lithium-7 (⁷Li) mit einem Proton, d. h. mit einem Wasserstoff-1-Kern (¹H). Der intermediär gebildete instabile Beryllium-8-Kern (⁸Be) zerfällt dabei weiter in zwei Helium-4-Kerne (⁴He):

${}_{3}^{7}Li+{}_{1}^{1}H\rightarrow {}_{4}^{8}Be\rightarrow 2\,{}_{2}^{4}He+17{,}35\;MeV$

Diese Reaktion tritt auch als dritter Teilschritt der Proton-Proton-II-Kette auf, die aber hier ohne die beiden vorangegangen Reaktionsschritte abläuft, durch die erst ⁷Li gebildet wird. Beim Lithiumbrennen wird das bereits vorhandene Lithium benutzt. Es setzt bei niedrigeren Temperaturen ein als das Wasserstoff- oder Heliumbrennen und beginnt bereits bei etwa 2,5 · 10⁶ K (2,5 Millionen Kelvin).

Die Bedeutung der Lithium-Fusion für die Nukleosynthese liegt in ihrer Auswirkung auf die chemische Zusammensetzung von Sternen und die Sternentwicklung. In massearmen Sternen und Braunen Zwergen führt das Lithium-Brennen zu einer Verringerung des Lithiumgehalts im stellaren Kern, was wiederum Einfluss auf deren Entwicklung hat. Die Konvektion in massearmen Sternen sorgt dafür, dass das Lithium im gesamten Volumen des Sterns verbraucht wird, daher ist das Vorhandensein der Lithium-Linie im Spektrum eines potentiellen Braunen Zwerges ein starker Indikator dafür, dass er tatsächlich substellar ist. Das Vorhandensein oder Fehlen von Lithium in der Atmosphäre eines massearmen Sterns oder Braunen Zwergs kann daher als Indikator für dessen Alter und Entwicklung verwendet werden.

Kernfusionstechnologie

Die Umwandlung von Lithium in Tritium durch Neutronenbeschuss ist von besonderem Interesse für die Forschung und Entwicklung von Fusionsreaktoren, insbesondere für den Deuterium-Tritium-Reaktionsprozess. In diesem Prozess wird Tritium als Brennstoff benötigt, der zusammen mit Deuterium fusioniert, um Energie in Form von Helium-4 und Neutronen freizusetzen. Durch die Umwandlung von Lithium in Tritium durch Neutronenbeschuss kann ein kontinuierlicher Kreislauf von Brennstoffen für Fusionsreaktoren geschaffen werden. Die Reaktionen laufen wie folgt ab:

Lithium-6-Neutronenreaktion:

Wenn ein Neutron auf einen Lithium-6-Kern trifft, kann es in Tritium (${}_{1}^{3}H$) und Helium-4 (${}_{2}^{4}He$) zerfallen. Die Wahrscheinlichkeit für die Lithium-6-Neutronenreaktion ist höher als für die Lithium-7-Neutronenreaktion, da Lithium-6 einen größeren Wirkungsquerschnitt für Neutronenbeschuss aufweist. Dies bedeutet, dass Lithium-6 eine höhere Wahrscheinlichkeit hat, mit Neutronen zu interagieren und Tritium zu erzeugen, als Lithium-7.

${}_{3}^{6}Li+n\rightarrow {}_{1}^{3}H+{}_{2}^{4}He+4{,}8\;MeV$

Lithium-7-Neutronenreaktion:

Bei der Lithium-7-Reaktion trifft ein Neutron auf einen Lithium-7-Kern und erzeugt Tritium (${}_{1}^{3}H$), Helium-4 (${}_{2}^{4}He$, auch Alpha-Teilchen genannt) und ein weiteres Neutron. Die bei dieser Reaktion freigesetzte Energie ist jedoch geringer als bei der Lithium-6-Neutronenreaktion:

${}_{3}^{7}Li+n\rightarrow {}_{1}^{3}H+{}_{2}^{4}He+n+2{,}5\;MeV$

Weblinks

• Thomas Spang, Tanja Traxler: Wissenschaft feiert Durchbruch bei Kernfusion in kalifornischem Labor. Der Standard, 12. Dezember 2022.
• Was steckt hinter dem aktuellen Durchbruch bei der Kernfusion? Der Standard, 13. Dezember 2022
• Reinhard Kleindl: Schlüsselrohstoff Lithium: Ist der Brennstoff für Kernfusion wirklich unbegrenzt vorhanden? Der Standard, 30. Dezember 2022.