Den globale nukleare trussel steg i de seneste måneder efter påstande, at Nordkorea byggede atomvåben og præsident Donald Trumps trussel mod landets farlige leder. De eskalerende spændinger fik endda Doomsday Clock til at bevæge sig tættere på midnat.
På trods af dets potentiale til at ødelægge verden og true vores eksistens har kernekraft imidlertid også potentialet til at løse planetens presserende magtbehov.
I de senere år er dele af private virksomheder sprunget ind i forskningsvognen på grund af teknologiske fremskridt og vores forståelse af ting som superledere. Google samarbejdede for nylig med nuklear fusionseksperter for at udvikle en algoritme til løsning af komplekse energiproblemer, og MIT har for nylig sagt, at nuklear fusion kunne være på nettet på bare 15 år.
For nylig mener forskere, at de muligvis har låst op for et af mysterierne med nuklear fusion ved at se på eksploderende stjerner. Holdet fraUniversity of Michigan's Center for Laser Experimental Astrophysical Research-gruppe undersøgte, hvordan varme spiller en rolle i den måde, hvorpå materialer blandes under en supernova - det lyspunkt, der skabes, når en stjerne når slutningen af sit liv og eksploderer. Disse eksplosioner sender store mængder energi ud, i nogle tilfælde mere end vores egen sol vil give ud i løbet af hele sin levetid.
Den rolle, som varmen spiller i sådanne fusionsreaktioner i rummet, er stort set blevet overset, og forskere har forsøgt at efterligne sådanne reaktioner på Jorden for at hjælpe med at skabe gennembrud i kernekraft. Ved at blande forskellige plasmaer med forskellige elementer, herunder jern, kulstofhelium og brint under laboratorieforhold, har forskerne været i stand til at fastslå, at strømmen af energi får varmen til at stige og falde, hvilket har en betydelig indvirkning på, hvordan elementerne blandes plasmas. Dette er ikke blevet betragtet på denne måde i tidligere eksperimenter og kunne endelig være nøglen til at gøre nuklear fusion mere bæredygtig på Jorden. Forskningen er offentliggjort i Naturkommunikation.
Hvad er nuklear energi?
Mens kernekraft har potentialet til at give mennesker næsten ubegrænset energi, indebærer fysikken bag kernekraft interaktioner mellem nogle af de mindste tænkelige partikler. I midten af hvert atom i universet ligger en lille samling protoner og neutroner kaldet en kerne. Antallet af protoner og neutroner i kernen bestemmer, hvilket element atomet er, og kernen udgør størstedelen af atomets masse.
Inde i kernen er protonerne og neutronerne bundet sammen af en af de fire grundlæggende kræfter i fysikken kaldet den stærke kraft. Som navnet antyder, er den stærke kraft den stærkeste af alle fire, men den fungerer kun i små afstande - som dem inde i en kerne. De andre ertyngdekraft, elektromagnetisk og svag. Denne video beskriver forskellene, og hvordan de påvirker os:
Atomer er hovedsageligt tomme rum. Hvis et atom var på størrelse med et fodboldstadion, ville kernen være omtrent på størrelse med en flue i midten. Den anden del af et atom er skyelektronerne, der kredser om et atoms kerne, men den stærke kraft gælder ikke for elektroner. De er i stedet bundet af elektromagnetiske kræfter, da de har en negativ ladning, mens kernen er positivt ladet.
Generelt involverer nuklearfysik fremstilling eller nedbrydning af en kerne. Begge er processer, hvorigennem en lille smule masse går tabt, og disse frigiver enorme mængder energi.
Hvorfor er kernekraft så vigtig?
Siden 1950'erne har fysikere forsøgt at efterligne den proces, der driver solen ved at kontrollere fusionen af brintatomer til helium. Nøglen til at udnytte denne kraft er at begrænse ultravarme kugler af brintgas kaldet plasmas, indtil mængden af energi, der kommer ud af fusionsreaktionerne, svarer til mere end der blev sat i. Dette punkt kalder energieksperter breakeven, og hvis det kan opnås, ville det repræsentere et teknologisk gennembrud og kunne give en ubegrænset og rigelig kilde til kulstoffri energi.
Du vil sandsynligvis være opmærksom på Einsteins mest berømte ligning, E = mc ^ 2. Dette siger, at mængden af energi frigivet, når en lille smule masse går tabt, er lig med den masse ganget med lysets hastighed i kvadrat. Lysets hastighed er et ret stort antal.
Se beslægtet Ruslands flydende kernekraftværk i Tjernobyl har netop sat fart på Faraday Challenge: Regeringen investerer 246 millioner £ i at gøre Storbritannien til en førende inden for batteriteknologi Kort over atombomber afslører, hvor sandsynligt det er, at du overlever et atomangreb Hvad er Trident? Det Forenede Kongeriges atomafskrækkende virkning forklarede Tjernobyl- og Fukushima-katastroferne: Hvad sker der med nukleare eksklusionszoner, når mennesker forlader?
Den mindste kerne af ethvert element består af kun en proton, der findes i hydrogenatomer. Brint sammen med helium, lithium og beryllium er de letteste grundstoffer i universet, hvilket betyder, at der ikke er brug for meget energi for at de kan dannes. Disse lette elementer dannedes i starten af universet, da det var omkring tre minutter gammelt og koldt nok til, at protoner og neutroner kunne binde sig sammen. Dette er en af grundene til, at brintplasmaer ses som den bedste kilde til udvinding af kernekraft på Jorden.
Efter disse første fire elementer ramte universet en mur. Der var brug for mere energi til de næste 88 elementer i det periodiske system for at overvinde protonerne, der frastødte hinanden med deres positive ladninger, og for denne nuklear fusion er det nødvendigt at komme i spil.
Så hvad er nuklear fusion?
Næsten alt omkring os blev skabt inde i en stjerne. Stjerner starter med brint, som de klemmer sammen for at danne helium. Denne proces fortsætter, frigiver energi og opvarmer stjernen.
Det er denne reaktion, der bruger brint som brændstof, som forskere og hold som dem iTAE Technologiesforsøger at efterligne at opnå kernefusionskraft. Når deuterium- og tritiumkerner - som findes i brint - smelter sammen, danner de en heliumkerne, en neutron og en masse energi.
hvordan man omdanner en bærbar computer til en Chromebook
Fordi nuklear fusion kræver enorme mængder energi for at få reaktioner i gang, har processen vist sig at være vanskelig at kopiere på Jorden. Det kræver enormt tryk og temperaturer på omkring 150 millioner grader for at få atomer til at kombinere i en fusionsreaktor.
Når en stjerne på størrelse med vores solkerne løber tør for brint (dens brændstofkilde) begynder den at dø. Den døende stjerne udvider sig til en rød kæmpe og begynder at producere kulstofatomer ved at smelte heliumatomer. Større stjerner kan skabe tungere grundstoffer fra ilt til jern i en yderligere serie af nuklear forbrænding. Alt der er tungere end jern er skabt i en supernova, den kæmpe eksplosion i slutningen af en massiv stjernes liv.
Hvordan relaterer nuklear fusion til nuklear fission?
Som vi kender det på jorden, bruger kernekraft en anden atomreaktion, kaldet fission.
Når elementer begynder at ekspandere, som uran eller plutonium, med flere protoner og neutroner pakket inde i kernen, er det muligt at bryde dem ned i mindre grundstoffer ved at ramme dem med neutroner. Dette resulterer også i en ændring i masse og frigiver enorme mængder energi.
Problemet ligger i de såkaldte efterprodukter af reaktionerne. Disse stoffer er meget radioaktive, hvilket gør dem utroligt farlige, og dette er den mest betydningsfulde ulempe ved atomenergi.
Radioaktivt affald skal håndteres utroligt omhyggeligt, og den bedste måde, vi i øjeblikket har for at slippe af med det, er at begrave det dybt under jorden. Men det gør atomreaktorer farlige steder, og katastrofer, hvor radioaktivt affald er lækket, har forårsaget alvorlige konsekvenser, såsom katastrofen i Tjernobyl i 1986 og Fukushima.
Hvilke virksomheder arbejder på nuklear fusion?
MED
I samarbejde med det private firma Commonwealth Fusion Systems udarbejdede forskere ved MIT for nylig en ny generation af fusionseksperimenter og kraftværker ved hjælp af højtemperatur superledere. Selvom det endnu ikke skal realiseres, sigter partnerskabet mod at bygge en kompakt enhed kaldet SPARC.
Når de superledende elektromagneter til SPARC er udviklet, forventes at være inden for de næste tre år, vil SPARC bruge dem til at generere 100 millioner watt eller 100 megawatt (MW) fusionskraft. Selvom det ikke vil omdanne den varme til elektricitet, vil den producere så meget strøm som en lille by bruger - mere end det dobbelte af det, der plejede at opvarme plasma, hvilket i sidste ende skaber en positiv nettoenergi fra fusion for første gang. Hvis det lykkes, kan dette hjælpe med at skabe en prototype i fuld skala af et fusionskraftværk og sætte verden på vej til nuklear fusion på bare 15 år.
Denne forskning følger af det arbejde, der udføres af Google ogTAE Technologies, der kalder sig verdens største private fusionsselskab og dets kæmpe ioniserede plasmamaskine C2-U. Google byggede en algoritme designet til at fremskynde eksperimenter inden for plasmafysik, og Tri Alpha Energy's ultimative mål, på samme måde som CFS, er at bygge det første fusionsbaserede kommercielle kraftværk. Jo hurtigere det kan gennemføre eksperimenter, jo hurtigere og billigere kan det nå dette mål og bevæge verden mod en mere bæredygtig, ren energikilde.
LÆS NÆSTE: Overlev et atomangreb
Øget forskning i den private sektor inden for nuklear fusion afspejler den enorme pris, der står på spil - en rig, miljømæssig ansvarlig og sikker ny måde at generere elektricitet på, professor Ian Chapman, administrerende direktør for UK Atomic Energy Authority sagde .
For at udføre eksperimenter af denne art skal plasmaet - ultravarme kugler af gas - begrænses i lange perioder.TAE Technologiesbegrænser disse plasmas ved hjælp af en metode kaldet feltomvendt konfiguration hvilket forudsiges at blive mere stabil, når energien stiger, i modsætning til andre metoder, hvor plasmaer bliver sværere at kontrollere, når du opvarmer dem.
TAE Technologies 'C-2U skubber disse eksperimenter til grænsen for, hvor meget elektrisk strøm der kan anvendes til at generere og begrænse plasmaet i et så lille rum over så kort tid. Optimering af indstillingerne (maskinen har mere end 1.000 knapper) og styring af plasmas adfærd er et komplekst problem, og det er her, Googles optometristalgoritme kommer ind.
Som Googles højtstående softwareudvikler Ted Baltz forklarer C-2U-maskinen kører et plasmaskud hvert ottende minut, og hver kørsel involverer oprettelse af to centrifugeringsplotter inde i C-2Us vakuum. Disse klatter knuses sammen i mere end 600.000 miles i timen for at skabe en større, varmere, roterende kugle af plasma.
LÆS NÆSTE: Hvad er en algoritme ?
Plaskuglen rammes derefter kontinuerligt med partikelstråler lavet af neutrale brintatomer for at holde den spindende. Magnetfelter holder fast på den roterende kugle i så længe som 10 millisekunder. Google algoritme tager alle parametrene fra antallet af indstillinger til kvaliteten af vakuumet og elektronernes stabilitet for at præsentere de menneskelige fysikere med løsninger.
Hvordan fungerer atombomber?
USA var det første land, der udviklede atomvåben, efterfulgt af Rusland i 1949. Fra og med 2016 anslås det, at USA har omkring 7.000 atomstridshoved, inklusive pensionerede, lagrede og indsatte våben. Rusland siges at have omkring 7.300 sprænghoveder, Frankrig har omkring 300 og Det Forenede Kongerige har 215. Nordkorea, set som en af de mest betydningsfulde nukleare trusler i moderne tid, har et ukendt antal enheder, selvom skøn sætter antallet på omkring 10 .
Alle atomvåben bruger fission til at generere deres ødelæggende eksplosioner. Tidlige våben, inklusive den lille dreng, der faldt på Hiroshima under anden verdenskrig, skabte den nødvendige masse, der var nødvendig for at kickstarte en fissionskædereaktion vedaffyring af en hule uran-235 cylinder mod et mål fremstillet af det samme materiale.
LÆS MERE: Hvad er en brintbombe?
Denne teknik er avanceret i de senere år, og i moderne våben afhænger den kritiske masse af materialets tæthed. Disse våben detonerer kemiske sprængstoffer omkring en såkaldt pit af uran-235 eller plutonium-239 metal. Disse isotoper er de mest almindelige elementer, der er i stand til at gennemgå fission. Uran og plutonium findes begge naturligt i mineralforekomster, omend i små mængder (mindre end 1% i tilfælde af uran og endnu mindre for plutonium), hvilket betyder, at de skal fremstilles. Dette er en kostbar og tidskrævende proces og er den største barriere for at opbygge nukleare bomber mere frit.
LÆS NÆSTE: Hvad er forskellen mellem en brintbombe og en atombombe?
hvordan man søger efter ulæste e-mails i gmail
I moderne nukleare eksplosioner blæser eksplosionen indad og tvinger atomerne i brønden sammen. Når først kritisk masse er opnået, anvendes neutroner til at skabe en fissionskædereaktion, der igen skaber atomeksplosionen. Termonukleære fusionsvåben bruger energien fra fissionseksplosionen til at tvinge brintisotoper sammen og skabe en ildkugle, der nærmer sig temperaturer så varme som solen.
