Pasaulinė branduolinė grėsmė pastaraisiais mėnesiais padidėjo po to, kai Šiaurės Korėja statė branduolinius ginklus ir prezidento Donaldo Trumpo grėsmė pavojingam šalies vadovui. Didėjanti įtampa netgi privertė Doomsday Clock judėti arčiau vidurnakčio.
Tačiau, nepaisant galimybės sunaikinti pasaulį ir kelti grėsmę mūsų egzistavimui, branduolinė energija taip pat gali išspręsti aktualius planetos energijos poreikius.
Pastaraisiais metais dėl tyrimų pažangos ir mūsų supratimo apie tokius dalykus kaip superlaidininkai, į mokslinių tyrimų grupę veržiasi privačios kompanijos. „Google“ neseniai kartu su branduolių sintezės ekspertais sukūrė sudėtingų energetikos problemų sprendimo algoritmą, o MIT neseniai pareiškė, kad branduolių sintezė gali būti tinkle tik po 15 metų.
Visai neseniai mokslininkai mano, kad jie galėjo atrakinti vieną iš branduolio sintezės paslapčių, žiūrėdami į sprogstančias žvaigždes. Komanda išMičigano universiteto Lazerinių eksperimentinių astrofizinių tyrimų centro grupė nagrinėjo, kaip šiluma vaidina įtaką medžiagų susimaišymui supernovų metu - šviesos taške, atsirandančiam žvaigždei pasiekus savo gyvenimo pabaigą ir sprogstant. Šie sprogimai siunčia didžiulius energijos kiekius, kai kuriais atvejais daugiau, nei mūsų pačių saulė išduos per visą savo gyvenimą.
Šilumos vaidmuo tokiose sintezės reakcijose kosmose buvo beveik nepastebėtas ir mokslininkai bandė imituoti tokias reakcijas Žemėje, kad padėtų paskatinti branduolinės energijos proveržius. Laboratorijos sąlygomis sumaišydami skirtingas plazmas su įvairiais elementais, įskaitant geležį, anglies helį ir vandenilį, mokslininkai sugebėjo nustatyti, kad energijos srautai sukelia šilumos kilimą ir kritimą, o tai daro didelę įtaką elementų maišymuisi su plazmos. Ankstesniuose eksperimentuose į tai nebuvo atsižvelgta ir tai pagaliau gali būti raktas į branduolio sintezės tvarumą Žemėje. Tyrimas paskelbtas Gamtos komunikacijos.
Kas yra branduolinė energija?
Nors branduolinė energija gali suteikti žmonėms beveik neribotą energiją, branduolinės energijos fizika apima sąveiką tarp mažiausių įsivaizduojamų dalelių. Kiekvieno visatos atomo centre yra mažytė protonų ir neutronų kolekcija, vadinama branduoliu. Protonų ir neutronų skaičius branduolyje lemia, kuris elementas yra atomas, o branduolys sudaro didžiąją dalį to atomo masės.
Branduolio viduje protonus ir neutronus jungia viena iš keturių pagrindinių fizikos jėgų, vadinama stipria jėga. Kaip rodo jo pavadinimas, stipri jėga yra stipriausia iš visų keturių, tačiau ji veikia tik nedideliais atstumais - kaip ir branduolio viduje. Kiti yragravitacinis, elektromagnetinis ir silpnas. Šiame vaizdo įraše aprašomi skirtumai ir kaip jie mus veikia:
Atomai daugiausia yra tuščia vieta. Jei atomas būtų futbolo stadiono dydžio, branduolys būtų maždaug musės dydžio jo viduryje. Kita atomo dalis yra debesų elektronai, skriejantys apie atomo branduolį, tačiau stipri jėga elektronams netaikoma. Vietoj jų juos sieja elektromagnetinės jėgos, nes jie turi neigiamą krūvį, o branduolys yra teigiamai įkrautas.
Paprastai tariant, branduolinė fizika apima branduolio sudarymą arba sulaužymą. Abu yra procesai, kurių metu prarandama maža dalis masės, ir jie išskiria didžiulius energijos kiekius.
Kodėl branduolinė energija yra tokia svarbi?
Nuo 1950-ųjų dešimtmetį fizikai bandė imituoti Saulę valdantį procesą kontroliuodami vandenilio atomų susiliejimą su heliu. Raktas norint pasinaudoti šia galia yra apriboti ypač karštus vandenilio dujų kamuoliukus, vadinamus plazmomis, kol energijos, gaunamos iš sintezės reakcijų, kiekis bus lygus daugiau, nei buvo įdėta. Tai yra tai, ką energetikos ekspertai vadina lūžiu ir, jei gali tai būtų technologinis proveržis ir galėtų suteikti neribotą ir gausų nulinės anglies dioksido energijos šaltinį.
Tikriausiai žinosite garsiausią Einšteino lygtį E = mc ^ 2. Tai teigia, kad energijos kiekis, išsiskyręs praradus nedidelę masės dalį, yra lygus tai masei, padaugintai iš šviesos greičio kvadrato. Šviesos greitis yra gana didžiulis skaičius.
Žr. Susijusią Rusijos plaukiojančią Černobylio atominę elektrinę ką tik išplaukė į „Faraday Challenge“: Vyriausybė investuos 246 mln. Svarų, kad JK būtų baterijų technologijos lyderė. Branduolinės bombos žemėlapis parodo, kokia tikimybė išgyventi branduolinę ataką Kas yra „Trident“? JK branduolinė atgrasymo priemonė paaiškino Černobylio ir Fukušimos katastrofas: kas nutinka branduolinės atskirties zonoms, kai žmonės išvyksta?
Mažiausią bet kurio elemento branduolį sudaro tik vienas protonas, esantis vandenilio atomuose. Vandenilis kartu su heliu, ličiu ir beriliu yra lengviausi elementai visatoje, taigi jiems susiformuoti nereikia daug energijos. Šie šviesos elementai susiformavo pačioje visatos pradžioje, kai ji buvo maždaug tris minutes sena ir pakankamai šalta, kad protonai ir neutronai galėtų susijungti. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl vandenilio plazmos yra laikomos geriausiu branduolinės energijos gavybos šaltiniu Žemėje.
Po šių pirmųjų keturių elementų visata atsitrenkė į sieną. Daugiau energijos reikėjo kitiems 88 periodinės lentelės elementams, norint įveikti protonus, kurie vienas kitą atbaido savo teigiamais krūviais, ir šiam branduolio sintezei turi būti atliktas vaidmuo.
Taigi, kas yra branduolio sintezė?
Beveik viskas aplink mus buvo sukurta žvaigždės viduje. Žvaigždės prasideda vandeniliu, kurį jos suspaudžia, kad susidarytų helis. Šis procesas tęsiasi, išskirdamas energiją ir įkaitindamas žvaigždę.
Būtent ši reakcija, naudojant vandenilį kaip kurą, patinka mokslininkams ir komandomsTAE technologijosbando imituoti, kad būtų pasiekta branduolio sintezės jėga. Susiliejus deuterio ir tričio branduoliams, kuriuos galima rasti vandenilyje, jie sudaro helio branduolį, neutroną ir daug energijos.
jei aš ištrinsiu savo snapchat, ar jis ištrins išsiųstus momentus
Kadangi branduolių sintezei reikia daug energijos, kad prasidėtų reakcijos, pasirodė, kad procesą Žemėje sunku nukopijuoti. Norint, kad atomai susijungtų sintezės reaktoriuje, reikia milžiniško slėgio ir maždaug 150 milijonų laipsnių temperatūros.
Kai mūsų saulės šerdies dydžio žvaigždėje baigiasi vandenilis (jo kuro šaltinis), ji pradeda mirti. Mirštanti žvaigždė išsiplečia į raudoną milžiną ir pradeda gaminti anglies atomus, sulydydama helio atomus. Didesnės žvaigždės gali sukurti sunkesnius elementus - nuo deguonies iki geležies - kitoje branduolio deginimo serijoje. Viskas, kas yra sunkiau už geležį, sukurta supernovoje - milžiniškame sprogime masyvios žvaigždės gyvenimo pabaigoje.
Kaip branduolio sintezė yra susijusi su branduolio dalijimusi?
Branduolinė energija, kaip mes ją žinome Žemėje, naudoja kitokią branduolinę reakciją, vadinamą dalijimusi.
Kai elementai pradeda plėstis, pavyzdžiui, uranas ar plutonis, o branduolyje yra daugiau protonų ir neutronų, juos galima suskaidyti į mažesnius elementus, pataikant į juos neutronais. Tai taip pat lemia masės pasikeitimą, išskiriant didžiulius energijos kiekius.
Problema slypi vadinamuosiuose reakcijų šalutiniuose produktuose. Šios medžiagos yra labai radioaktyvios, todėl jos yra nepaprastai pavojingos, ir tai yra reikšmingiausias branduolinės energijos trūkumas.
Su radioaktyviomis atliekomis reikia elgtis nepaprastai atsargiai, o geriausias būdas atsikratyti jų yra palaidoti giliai po žeme. Tačiau branduoliniai reaktoriai paverčia pavojingomis vietomis, o nelaimės, kuriose nutekėjo radioaktyviosios atliekos, sukėlė skaudžių pasekmių, pavyzdžiui, katastrofą Černobylyje 1986 m. Ir Fukušimoje.
Kurios įmonės dirba branduolio sintezės srityje?
SU
Dirbdami su privačia įmone „Commonwealth Fusion Systems“, MIT tyrėjai neseniai sukūrė naujos kartos sintezės eksperimentus ir jėgaines, naudojančias aukštos temperatūros superlaidininkus. Nors dar neįgyvendinta, partnerystė siekia sukurti kompaktišką įrenginį, vadinamą SPARC.
Kai superlaidūs elektromagnetai SPARC buvo sukurti, tikimasi, kad jie bus per ateinančius trejus metus, SPARC juos panaudos 100 milijonų vatų arba 100 megavatų (MW) sintezės energijos generavimui. Nors ta šiluma nebus paversta elektra, ji pagamins tiek energijos, kiek sunaudoja mažas miestas - daugiau nei dvigubai daugiau, nei naudojama plazmai kaitinti, galiausiai pirmą kartą sukuriant teigiamą grynąją energiją iš sintezės. Jei tai pavyks, tai gali padėti sukurti visavertį branduolių sintezės elektrinės prototipą ir per 15 metų pasaulį nukreipti į branduolio sintezę.
„Google“
Šis tyrimas tęsiamas iš „Google“ irTAE technologijos, kuri save vadina didžiausia pasaulyje privačia sintezės įmone, ir jos milžiniška jonizuota plazmos mašina C2-U. „Google“ sukūrė algoritmą, skirtą paspartinti plazmos fizikos eksperimentus, o pagrindinis „Tri Alpha Energy“ tikslas, panašiai kaip CFS, yra pastatyti pirmąją sintezės pagrindu veikiančią komercinę jėgainę. Kuo greičiau jis gali atlikti eksperimentus, tuo greičiau ir pigiau jis gali pasiekti šį tikslą ir perkelti pasaulį link tvaresnio, švaresnio energijos šaltinio.
SKAITYKITE TOLIAU: Išgyventi branduolinę ataką
Padidėjęs privataus sektoriaus branduolių sintezės tyrimas atspindi didžiulį prizą - gausų, ekologišką ir saugų naują elektros energijos gamybos būdą, - profesorius Ianas Chapmanas, JK atominės energijos tarnybos generalinis direktorius. sakė .
Norint atlikti tokio pobūdžio eksperimentus, plazmą - ypač karštus dujų rutulius - reikia uždaryti ilgą laiką.TAE technologijosriboja šias plazmas naudodamas vadinamąjį metodą lauko pakeista konfigūracija kuri, kaip spėjama, energijai didėjant taps stabilesnė, priešingai nei kiti metodai, kai plazmas sunkiau valdyti jas kaitinant.
TAE technologijos “C-2U pastumia šiuos eksperimentus iki ribos, kiek elektros energijos galima panaudoti plazmai generuoti ir apriboti tokioje mažoje erdvėje per tokį trumpą laiką. Optimizuoti jo nustatymus (aparate yra daugiau nei 1 000 mygtukų) ir valdyti plazmos elgseną yra sudėtinga problema, todėl atsiranda „Google“ optometrinis algoritmas.
Kaip „Google“ vyresnysis programinės įrangos inžinierius Tedas Baltzas paaiškina , C-2U aparatas paleidžia plazmos šūvį kas aštuonias minutes, o kiekvienas važiavimas sukuria dvi verpimo plazmos skiautes C-2U vakuume. Šios burbuolės sutrupinamos daugiau nei 600 000 mylių per valandą greičiu, kad būtų sukurtas didesnis, karštesnis, besisukantis plazmos kamuolys.
SKAITYKITE TOLIAU: Kas yra algoritmas ?
Tuomet plazmos rutulys nuolat trenkiamas dalelių pluoštais, pagamintais iš neutralių vandenilio atomų, kad jis suktųsi. Magnetiniai laukai verpimo rutulį laiko net 10 milisekundžių. „Google“ algoritmas pateikia visus parametrus nuo nustatymų skaičiaus iki vakuumo kokybės ir elektronų stabilumo, kad pateiktų sprendimus žmonėms fizikams.
Kaip veikia branduolinės bombos?
JAV buvo pirmoji šalis, sukūrusi branduolinius ginklus, po to sekė Rusija 1949 m. Apskaičiuota, kad nuo 2016 m. JAV yra apie 7000 branduolinių užtaisų, įskaitant išėjusius, saugomus ir dislokuotus ginklus. Teigiama, kad Rusijoje yra apie 7300 kovinių galvučių, Prancūzijoje - apie 300, o Jungtinėje Karalystėje - 215. Šiaurės Korėja, laikoma viena reikšmingiausių branduolinių grėsmių šiais laikais, turi nežinomą prietaisų skaičių, nors skaičiavimais šis skaičius siekia apie 10 .
Visi branduoliniai ginklai naudoja skilimą, kad sukeltų pražūtingus sprogimus. Ankstyvieji ginklai, įskaitant Mažąjį berniuką, numestą ant Hirosimos per Antrąjį pasaulinį karą, sukūrė kritinę masę, reikalingą skilimo grandinės reakcijai pradėti.šaudydamas tuščiaviduriu urano-235 cilindru į taikinį, pagamintą iš tos pačios medžiagos.
SKAITYTI DAUGIAU: Kas yra vandenilio bomba?
Ši technika pastaraisiais metais tobulėjo, o šiuolaikinių ginklų kritinė masė priklauso nuo medžiagos tankio. Šie ginklai detonuoja chemines sprogmenis aplink vadinamąją urano-235 arba plutonio-239 metalo duobę. Šie izotopai yra labiausiai paplitę elementai, galintys praeiti dalijimąsi. Uranas ir plutonis natūraliai randami mineralų telkiniuose, nors ir nedideliais kiekiais (mažiau nei 1% urano atveju ir dar mažiau plutonio atveju), o tai reiškia, kad juos reikia gaminti. Tai brangus ir daug laiko reikalaujantis procesas ir yra pagrindinė kliūtis laisvesnei atominių bombų statybai.
SKAITYKITE TOLIAU: Kuo skiriasi vandenilio bomba ir atominė bomba?
miręs dienos šviesoje žaisdamas su draugais
Šiuolaikinių branduolinių sprogimų metu sprogimas pučia į vidų, priverčdamas duobės atomus kartu. Pasiekus kritinę masę, neutronai naudojami skilimo grandinės reakcijai sukurti, kuri savo ruožtu sukelia atominį sprogimą. Termobranduoliniai sintezės ginklai naudoja skilimo sprogimo energiją, kad kartu priverstų vandenilio izotopus ir sukurtų ugnies kamuolį, kuris artėtų prie tokios karštos temperatūros kaip saulė.
