Den globale atomtrusselen økte de siste månedene etter påstander om at Nord-Korea bygde atomvåpen og president Donald Trumps trussel mot landets farlige leder. De økende spenningene fikk til og med Doomsday Clock til å bevege seg nærmere midnatt.
Til tross for potensialet til å ødelegge verden, og true vår eksistens, har imidlertid kjernekraft også potensial til å løse planetens presserende kraftbehov.
De siste årene har deler av private selskaper hoppet inn i forskningsvognen på grunn av fremskritt innen teknologi og vår forståelse av ting som superledere. Google samarbeidet nylig med kjernefusjonseksperter for å utvikle en algoritme for å løse komplekse energiproblemer, og MIT har nylig sagt at kjernefusjon kan være på nettet på bare 15 år.
Mer nylig tror forskere at de kan ha låst opp et av mysteriene til kjernefusjon ved å se på eksploderende stjerner. Teamet, fraUniversity of Michigan’s Center for Laser Experimental Astrophysical Research group, undersøkte hvordan varme spiller en rolle i måten materialer blander seg under en supernova - lyspunktet som skapes når en stjerne når slutten av livet og eksploderer. Disse eksplosjonene sender ut store mengder energi, i noen tilfeller mer enn vår egen sol vil gi ut i løpet av hele sin levetid.
Rollen som varmen spiller i slike fusjonsreaksjoner i verdensrommet har i stor grad blitt oversett, og forskere har forsøkt å etterligne slike reaksjoner på jorden for å bidra til kjernekraft gjennombrudd. Ved å blande forskjellige plasmaer med forskjellige elementer, inkludert jern, karbonhelium og hydrogen under laboratorieforhold, har forskerne klart å fastslå at strømninger av energi får varmen til å stige og synke, noe som har en betydelig innvirkning på hvordan elementene blandes med plasmas. Dette har ikke blitt vurdert på denne måten, i tidligere eksperimenter, og kunne endelig inneholde nøkkelen til å gjøre kjernefusjon mer bærekraftig på jorden. Forskningen er publisert i Naturkommunikasjon.
Hva er kjernekraft?
Mens kjernekraft har potensial til å gi mennesker nesten ubegrenset energi, innebærer fysikken bak kjernekraft samspill mellom noen av de minste partikler som kan tenkes. I sentrum av hvert atom i universet ligger en liten samling protoner og nøytroner kalt en kjerne. Antallet protoner og nøytroner i kjernen bestemmer hvilket element atomet er, og kjernen utgjør størstedelen av atommassen.
Inne i kjernen er protonene og nøytronene bundet sammen av en av de fire grunnleggende kreftene i fysikk som kalles den sterke kraften. Som navnet antyder, er den sterke kraften den sterkeste av alle fire, men den fungerer bare i små avstander - som de som er inne i en kjerne. De andre ertyngdekraft, elektromagnetisk og svak. Denne videoen beskriver forskjellene, og hvordan de påvirker oss:
Atomer er hovedsakelig tomme rom. Hvis et atom var på størrelse med et fotballstadion, ville kjernen være omtrent på størrelse med en flue i midten. Den andre delen av et atom er skyelektronene som kretser rundt et atoms kjerne, men den sterke kraften gjelder ikke elektroner. De er i stedet bundet av elektromagnetiske krefter, da de har en negativ ladning mens kjernen er positivt ladet.
Generelt innebærer kjernefysikk å lage eller bryte en kjerne. Begge er prosesser der en liten bit masse går tapt, og disse frigjør enorme mengder energi.
Hvorfor er kjernekraft så viktig?
Siden 1950-tallet har fysikere forsøkt å etterligne prosessen som driver solen ved å kontrollere fusjonen av hydrogenatomer til helium. Nøkkelen til å utnytte denne kraften er å begrense ultravarme kuler av hydrogengass som kalles plasmas til mengden energi som kommer ut av fusjonsreaksjonene tilsvarer mer enn det som ble lagt inn. Dette poenget er det som energieksperter kaller breakeven oppnås, vil det representere et teknologisk gjennombrudd og kunne gi en ubegrenset og rikelig kilde til null-karbon energi.
Du vil sannsynligvis være klar over Einsteins mest berømte ligning, E = mc ^ 2. Dette sier at mengden energi som frigjøres når en liten bit masse går tapt er lik den massen multiplisert med lysets hastighet i kvadrat. Lysets hastighet er ganske stort.
Se relaterte Russlands flytende kjernekraftverk i Tsjernobyl har nettopp satt ut Faraday Challenge: Regjeringen vil investere £ 246 millioner i å gjøre Storbritannia til en leder innen batteriteknologi Kjernebombekart avslører hvor sannsynlig det er at du overlever et atomangrep Hva er Trident? Storbritannias kjernefysiske avskrekkende virkning forklarte Tsjernobyl- og Fukushima-katastrofene: Hva skjer med soner for utestenging av atomvåpen når mennesker drar?
Den minste kjernen til ethvert element består av bare en proton, som finnes i hydrogenatomer. Hydrogen, sammen med helium, litium og beryllium er de letteste elementene i universet, noe som betyr at ikke mye energi er nødvendig for at de skal danne seg. Disse lette elementene ble dannet helt i begynnelsen av universet, da det var rundt tre minutter gammelt og kaldt nok til at protoner og nøytroner kunne binde seg. Dette er en grunn til at hydrogenplasmer blir sett på som den beste kilden til utvinning av kjernekraft på jorden.
Etter disse fire første elementene traff universet en vegg. Mer energi var nødvendig for de neste 88 elementene i det periodiske systemet, for å overvinne protonene som frastøter hverandre med sine positive ladninger, og for denne kjernefusjonen må komme inn.
Så hva er kjernefusjon?
Nesten alt rundt oss ble skapt i en stjerne. Stjerner starter med hydrogen, som de klemmer sammen for å danne helium. Denne prosessen fortsetter, frigjør energi og varmer opp stjernen.
Det er denne reaksjonen, som bruker hydrogen som drivstoff, som forskere og team som de påTAE Technologiesprøver å etterligne for å oppnå atomfusjonskraft. Når deuterium- og tritiumkjerner - som finnes i hydrogen - smelter sammen, danner de en heliumkjerne, et nøytron og mye energi.
folk å snakke med på kik
Fordi kjernefusjon krever enorme mengder energi for å få reaksjoner i gang, har prosessen vist seg vanskelig å kopiere på jorden. Det tar enormt trykk og temperaturer på rundt 150 millioner grader for å få atomer til å kombinere i en fusjonsreaktor.
Når en stjerne på størrelse med solens kjerne går tom for hydrogen (dens drivstoffkilde) begynner den å dø. Den døende stjernen utvides til en rød gigant og begynner å produsere karbonatomer ved å smelte heliumatomer. Større stjerner kan skape tyngre grunnstoffer, fra oksygen til jern, i en ytterligere serie med kjernefysisk forbrenning. Alt tyngre enn jern er skapt i en supernova, den gigantiske eksplosjonen på slutten av en massiv stjernes liv.
Hvordan forholder kjernefusjon seg til kjernefisjon?
Kjernekraft, som vi kjenner den på jorden, bruker en annen kjernefysisk reaksjon, kalt fisjon.
Når elementer begynner å utvide seg, som uran eller plutonium, med flere protoner og nøytroner pakket inne i kjernen, er det mulig å bryte dem ned i mindre grunnstoffer ved å slå dem med nøytroner. Dette resulterer også i en endring i masse og frigjør enorme mengder energi.
Problemet ligger i de såkalte etterproduktene av reaksjonene. Disse stoffene er svært radioaktive, noe som gjør dem utrolig farlige, og dette er den viktigste ulempen med kjernekraft.
Radioaktivt avfall må håndteres utrolig forsiktig, og den beste måten vi har for øyeblikket på å bli kvitt det er å begrave det dypt under jorden. Men det gjør atomreaktorer farlige steder, og katastrofer der radioaktivt avfall har blitt lekket har forårsaket alvorlige konsekvenser, som katastrofen i Tsjernobyl i 1986 og Fukushima.
Hvilke selskaper jobber med kjernefusjon?
MED
I samarbeid med det private firmaet Commonwealth Fusion Systems, utviklet forskere ved MIT nylig en ny generasjon fusjonseksperimenter og kraftverk ved bruk av superledere med høy temperatur. Selv om partnerskapet ennå ikke er realisert, tar det sikte på å bygge en kompakt enhet kalt SPARC.
Når de superledende elektromagneter for SPARC er utviklet, forventes å være i løpet av de neste tre årene, vil SPARC bruke dem til å generere 100 millioner watt, eller 100 megawatt (MW), av fusjonskraft. Selv om det ikke vil forvandle den varmen til elektrisitet, vil den produsere så mye kraft som brukes av en liten by - mer enn det dobbelte av det som pleide å varme plasma, og til slutt skape en positiv nettoenergi fra fusjon for første gang. Hvis det lykkes, kan dette bidra til å lage en fullskala prototype av et fusjonskraftverk og sette verden på veien til kjernefusjon på bare 15 år.
Denne undersøkelsen følger opp fra arbeidet som gjøres av Google ogTAE Technologies, som kaller seg verdens største private fusjonsselskap, og den gigantiske ioniserte plasmamaskinen C2-U. Google bygde en algoritme designet for å øke hastigheten på eksperimenter i plasmafysikk, og Tri Alpha Energy's endelige mål, på samme måte som CFS, er å bygge det første fusjonsbaserte kommersielle kraftverket. Jo raskere den kan fullføre eksperimenter, jo raskere og billigere kan den oppnå dette målet og bevege verden mot en mer bærekraftig, ren energikilde.
LES NESTE: Overlever et atomangrep
Økt forskning innen kjernefusjon i privat sektor reflekterer den enorme prisen som står på spill - en rikelig, miljøansvarlig og trygg ny måte å generere elektrisitet på, professor Ian Chapman, administrerende direktør i UK Atomic Energy Authority sa .
For å kunne utføre eksperimenter av denne typen, må plasmaet - ultra hete gasskuler - være begrenset i lange perioder.TAE Technologiesbegrenser disse plasmene ved hjelp av en metode som kalles feltomvendt konfigurasjon som er spådd å bli mer stabil når energien øker, i motsetning til andre metoder der plasmaer blir vanskeligere å kontrollere når du varmer dem opp.
TAE Technologies ’C-2U presser disse eksperimentene til grensen for hvor mye elektrisk kraft som kan brukes for å generere og begrense plasmaet på et så lite rom over så kort tid. Optimalisering av innstillingene (maskinen har mer enn 1000 knapper) og administrering av plasmaens oppførsel er et komplekst problem, og det er her Googles optometristalgoritme kommer inn.
Som Googles ledende programvareingeniør Ted Baltz forklarer , C-2U-maskinen kjører et plasmaskudd hvert åttende minutt, og hver kjøring innebærer å skape to roterende plasma-blobs inne i C-2Us vakuum. Disse klattene knuses sammen i mer enn 600.000 miles i timen for å skape en større, varmere, roterende plasmakule.
LES NESTE: Hva er en algoritme ?
Plaskulen treffes deretter kontinuerlig med partikkelstråler laget av nøytrale hydrogenatomer for å holde den spinnende. Magnetfelt holder tak i den roterende ballen så lenge som 10 millisekunder. Google algoritme tar alle parametrene fra antall innstillinger til kvaliteten på vakuumet og stabiliteten til elektronene for å presentere menneskelige fysikere med løsninger.
Hvordan fungerer atombomber?
USA var det første landet som utviklet atomvåpen, etterfulgt av Russland i 1949. Fra og med 2016 anslås det at USA har rundt 7000 atomstridshoder, inkludert pensjonerte, lagrede og utplasserte våpen. Russland sies å ha rundt 7.300 stridshoder, Frankrike har rundt 300 og Storbritannia har 215. Nord-Korea, sett på som en av de viktigste atomtruslene i moderne tid, har et ukjent antall enheter, selv om estimater setter tallet til rundt 10 .
Alle atomvåpen bruker fisjon for å generere sine ødeleggende eksplosjoner. Tidlige våpen, inkludert Little Boy droppet på Hiroshima under andre verdenskrig, skapte den kritiske massen som var nødvendig for å kickstarte en fisjonskjedereaksjon avskyte en hul uran-235-sylinder mot et mål laget av samme materiale.
LES MER: Hva er en hydrogenbombe?
Denne teknikken har avansert de siste årene, og i dagens våpen avhenger den kritiske massen av materialets tetthet. Disse våpnene detonerer kjemiske eksplosiver rundt en såkalt grop av uran-235 eller plutonium-239 metall. Disse isotoper er de vanligste elementene som er i stand til å gå gjennom fisjon. Uran og plutonium finnes begge naturlig i mineralforekomster, om enn i små mengder (mindre enn 1% i tilfelle uran og enda mindre for plutonium), noe som betyr at de må produseres. Dette er en kostbar og tidkrevende prosess og er den viktigste barrieren for å bygge atombomber mer fritt.
LES NESTE: Hva er forskjellen mellom en hydrogenbombe og en atombombe?
hvordan du søker etter uleste e-post i Gmail
I moderne kjernefysiske eksplosjoner blåser eksplosjonen innover og tvinger atomene i gropen sammen. Når en kritisk masse er oppnådd, brukes nøytroner til å skape en fisjonskjedereaksjon som i sin tur skaper atomeksplosjonen. Termonukleære fusjonsvåpen bruker energien fra fisjonsexplosjonen for å tvinge hydrogenisotoper sammen og skape en ildkule som nærmer seg temperaturer like varme som solen.
