De wereldwijde nucleaire dreiging nam de afgelopen maanden toe na beweringen dat Noord-Korea kernwapens bouwde en de dreiging van president Donald Trump tegen de gevaarlijke leider van het land. Door de oplopende spanningen kwam de Doomsday Clock zelfs dichter bij middernacht.
Ondanks het potentieel om de wereld te vernietigen en ons bestaan te bedreigen, heeft kernenergie ook het potentieel om de dringende energiebehoeften van de planeet op te lossen.
Door de technologische vooruitgang en ons begrip van zaken als supergeleiders zijn de afgelopen jaren grote aantallen particuliere bedrijven in de onderzoekswereld gesprongen. Google werkte onlangs samen met kernfusie-experts om een algoritme te ontwikkelen voor het oplossen van complexe energieproblemen, en MIT heeft onlangs gezegd dat kernfusie binnen slechts 15 jaar op het net kan zijn.
Meer recentelijk denken wetenschappers dat ze misschien een van de mysteries van kernfusie hebben ontrafeld door naar exploderende sterren te kijken. Het team, van deDe Center for Laser Experimental Astrophysical Research-groep van de University of Michigan onderzocht hoe warmte een rol speelt in de manier waarop materialen zich mengen tijdens een supernova - het lichtpunt dat ontstaat wanneer een ster het einde van zijn leven bereikt en explodeert. Deze explosies zenden enorme hoeveelheden energie uit, in sommige gevallen meer dan onze eigen zon in de loop van zijn hele leven zal afgeven.
De rol die warmte speelt in dergelijke fusiereacties in de ruimte is grotendeels over het hoofd gezien en wetenschappers hebben geprobeerd dergelijke reacties op aarde na te bootsen om doorbraken in kernenergie te stimuleren. Door verschillende plasma's te mengen met verschillende elementen, waaronder ijzer, koolstofhelium en waterstof in laboratoriumomstandigheden, hebben de onderzoekers kunnen vaststellen dat fluxen in energie ervoor zorgen dat de warmte stijgt en daalt, wat een aanzienlijke invloed heeft op hoe de elementen zich vermengen met de plasma's. Dit is in eerdere experimenten niet op deze manier overwogen en zou eindelijk de sleutel kunnen zijn om kernfusie op aarde duurzamer te maken. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.
Wat is kernenergie?
Hoewel kernenergie het potentieel heeft om mensen van bijna grenzeloze energie te voorzien, omvat de fysica achter kernenergie interacties tussen enkele van de kleinste denkbare deeltjes. In het centrum van elk atoom in het universum ligt een kleine verzameling protonen en neutronen, een kern genaamd. Het aantal protonen en neutronen in de kern bepaalt welk element het atoom is, en de kern vormt het grootste deel van de massa van dat atoom.
In de kern zijn de protonen en neutronen met elkaar verbonden door een van de vier fundamentele krachten in de fysica, de sterke kracht. Zoals de naam doet vermoeden, is de sterke kracht de sterkste van alle vier, maar hij werkt alleen op kleine afstanden, zoals die in een kern. De anderen zijnzwaartekracht, elektromagnetisch en zwak. Deze video beschrijft de verschillen en hoe ze ons beïnvloeden:
Atomen zijn voornamelijk lege ruimte. Als een atoom zo groot was als een voetbalstadion, zou de kern ongeveer zo groot zijn als een vlieg in het midden. Het andere deel van een atoom zijn de wolkelektronen die in een baan om de atoomkern draaien, maar de sterke kracht is niet van toepassing op elektronen. Ze zijn in plaats daarvan gebonden door elektromagnetische krachten, omdat ze een negatieve lading hebben terwijl de kern positief geladen is.
Over het algemeen omvat kernfysica het maken of breken van een kern. Beide zijn processen waarbij een klein beetje massa verloren gaat, en daarbij komen enorme hoeveelheden energie vrij.
Waarom is kernenergie zo belangrijk?
Sinds de jaren vijftig proberen natuurkundigen het proces na te bootsen dat de zon aandrijft door de fusie van waterstofatomen tot helium te beheersen. De sleutel tot het benutten van deze kracht is om ultra-hete bollen waterstofgas, plasma's genaamd, op te sluiten tot de hoeveelheid energie die uit de fusiereacties komt, gelijk is aan meer dan erin is gestopt. wordt bereikt, zou het een technologische doorbraak betekenen en zou het een onbeperkte en overvloedige bron van koolstofvrije energie kunnen zijn.
U kent waarschijnlijk de beroemdste vergelijking van Einstein, E = mc ^ 2. Dit stelt dat de hoeveelheid energie die vrijkomt wanneer een klein beetje massa verloren gaat, gelijk is aan die massa vermenigvuldigd met de lichtsnelheid in het kwadraat. De lichtsnelheid is behoorlijk groot.
Zie gerelateerde Russische drijvende kerncentrale in Tsjernobyl is zojuist vertrokken Faraday Challenge: regering investeert £ 246 miljoen om van het VK een leider te maken in batterijtechnologie Nucleaire bomkaart laat zien hoe waarschijnlijk het is dat u een nucleaire aanval overleeft Wat is drietand? Het nucleaire afschrikmiddel van het VK verklaarde de rampen van Tsjernobyl en Fukushima: wat gebeurt er met nucleaire uitsluitingszones wanneer mensen vertrekken?
De kleinste kern van elk element bestaat uit slechts één proton, gevonden in waterstofatomen. Waterstof is, naast helium, lithium en beryllium de lichtste elementen in het universum, wat betekent dat er niet veel energie nodig is om ze te vormen. Deze lichte elementen vormden zich helemaal aan het begin van het universum, toen het ongeveer drie minuten oud en koud genoeg was om protonen en neutronen aan elkaar te laten binden. Dit is een van de redenen waarom waterstofplasma's worden gezien als de beste bron voor het winnen van kernenergie op aarde.
Na deze eerste vier elementen raakte het universum een muur. Er was meer energie nodig voor de volgende 88 elementen in het periodiek systeem, om de protonen te overwinnen die elkaar afstoten met hun positieve ladingen, en voor deze kernfusie moet een rol gaan spelen.
Dus wat is kernfusie?
Bijna alles om ons heen is gemaakt in een ster. Sterren beginnen met waterstof, dat ze samen persen om helium te vormen. Dit proces gaat door, waarbij energie vrijkomt en de ster wordt opgewarmd.
Het is deze reactie, waarbij waterstof als brandstof wordt gebruikt, waar wetenschappers en teams van houdenTAE Technologiesproberen na te bootsen om kernfusie-energie te bereiken. Wanneer deuterium- en tritiumkernen - die te vinden zijn in waterstof - samensmelten, vormen ze een heliumkern, een neutron en veel energie.
hoe meldingen van instagram te krijgen
Omdat kernfusie enorme hoeveelheden energie vereist om reacties op gang te brengen, is het proces op aarde moeilijk te kopiëren gebleken. Het kost een enorme druk en temperaturen van ongeveer 150 miljoen graden om atomen te combineren in een fusiereactor.
Wanneer een ster ter grootte van de kern van onze zon geen waterstof meer heeft (zijn brandstofbron), begint hij af te sterven. De stervende ster breidt zich uit tot een rode reus en begint koolstofatomen te produceren door heliumatomen te versmelten. Grotere sterren kunnen zwaardere elementen creëren, van zuurstof tot ijzer, in een volgende reeks van nucleaire verbrandingen. Alles wat zwaarder is dan ijzer wordt gemaakt in een supernova, de gigantische explosie aan het einde van het leven van een zware ster.
Hoe verhoudt kernfusie zich tot kernsplijting?
Kernenergie, zoals we die op aarde kennen, gebruikt een andere nucleaire reactie, splijting genaamd.
Wanneer elementen beginnen uit te breiden, zoals uranium of plutonium, met meer protonen en neutronen verpakt in de kern, is het mogelijk om ze weer op te splitsen in kleinere elementen door ze te raken met neutronen. Dit resulteert ook in een verandering in massa, waardoor enorme hoeveelheden energie vrijkomen.
Het probleem zit 'm in de zogenaamde nevenproducten van de reacties. Deze stoffen zijn zeer radioactief, waardoor ze ongelooflijk gevaarlijk zijn en dit is het belangrijkste nadeel van kernenergie.
Radioactief afval moet ongelooflijk zorgvuldig worden behandeld en de beste manier om er op dit moment van af te komen, is door het diep onder de grond te begraven. Maar het maakt kernreactoren tot gevaarlijke plaatsen, en rampen waarbij radioactief afval is gelekt, hebben verschrikkelijke gevolgen gehad, zoals de ramp in Tsjernobyl in 1986 en Fukushima.
Welke bedrijven werken aan kernfusie?
MET
In samenwerking met het particuliere bedrijf Commonwealth Fusion Systems hebben onderzoekers van MIT onlangs een nieuwe generatie fusie-experimenten en energiecentrales bedacht met behulp van hogetemperatuursupergeleiders. Hoewel het nog moet worden gerealiseerd, beoogt het partnerschap een compact apparaat genaamd SPARC te bouwen.
Eens de supergeleidende elektromagneten voor SPARC zijn ontwikkeld, naar verwachting binnen de komende drie jaar, zal SPARC ze gebruiken om 100 miljoen watt of 100 megawatt (MW) fusievermogen op te wekken. Hoewel het die warmte niet in elektriciteit zal omzetten, zal het evenveel energie produceren als een kleine stad gebruikt - meer dan twee keer zoveel als vroeger om plasma te verwarmen, waardoor uiteindelijk voor het eerst een positieve netto-energie uit kernfusie ontstaat. Als dit lukt, zou dit kunnen helpen om een volledig prototype van een fusie-energiecentrale te creëren en de wereld in slechts 15 jaar op weg te helpen naar kernfusie.
Dit onderzoek is een vervolg op het werk van Google enTAE Technologies, dat zichzelf 's werelds grootste particuliere fusiebedrijf noemt, en zijn gigantische geïoniseerde plasmamachine C2-U. Google heeft een algoritme gebouwd dat is ontworpen om experimenten in de plasmafysica te versnellen en het uiteindelijke doel van Tri Alpha Energy, vergelijkbaar met CFS, is om de eerste op fusie gebaseerde commerciële energiecentrale te bouwen. Hoe sneller het experimenten kan voltooien, hoe sneller en goedkoper het dit doel kan bereiken en de wereld naar een duurzamere, schonere energiebron kan bewegen.
LEES VOLGENDE: Een nucleaire aanval overleven
Toenemend onderzoek van de particuliere sector naar kernfusie weerspiegelt de enorme prijs die op het spel staat - een overvloedige, ecologisch verantwoorde en veilige nieuwe manier om elektriciteit op te wekken, Professor Ian Chapman, CEO van de UK Atomic Energy Authority zei .
Om dit soort experimenten uit te voeren, moeten de plasma - ultra hete gasballen - gedurende lange tijd worden opgesloten.TAE Technologiesbeperkt deze plasma's met behulp van een methode genaamd veld-omgekeerde configuratie waarvan wordt voorspeld dat het stabieler wordt naarmate de energie toeneemt, in tegenstelling tot andere methoden waarbij plasma's moeilijker te beheersen zijn naarmate u ze verwarmt.
TAE Technologies 'C-2U drijft deze experimenten tot het uiterste van hoeveel elektrisch vermogen kan worden toegepast om het plasma in zo'n korte tijd op te wekken en op te sluiten in zo'n kleine ruimte. Het optimaliseren van de instellingen (de machine heeft meer dan 1000 knoppen) en het beheren van het gedrag van plasma is een complex probleem en hier komt het optometristalgoritme van Google om de hoek kijken.
Als senior software-engineer van Google, Ted Baltz legt uit , voert de C-2U-machine elke acht minuten een plasma-opname uit en elke run omvat het creëren van twee ronddraaiende klodders plasma in het vacuüm van de C-2U. Deze klodders worden tegen elkaar geslagen met meer dan 600.000 mijl per uur om een grotere, heter draaiende bal van plasma te creëren.
LEES VOLGENDE: Wat is een algoritme ?
De plasmabal wordt dan continu geraakt met deeltjesbundels gemaakt van neutrale waterstofatomen om hem te laten draaien. Magnetische velden houden de draaiende bal tot 10 milliseconden vast. Google's algoritme neemt alle parameters van het aantal instellingen tot de kwaliteit van het vacuüm en de stabiliteit van de elektronen om de menselijke fysici oplossingen te bieden.
Hoe werken atoombommen?
De VS was het eerste land dat kernwapens ontwikkelde, gevolgd door Rusland in 1949. In 2016 wordt geschat dat de VS ongeveer 7.000 kernkoppen heeft, inclusief gepensioneerde, opgeslagen en ingezette wapens. Rusland zou ongeveer 7.300 kernkoppen hebben, Frankrijk ongeveer 300 en het VK 215. Noord-Korea, gezien als een van de belangrijkste nucleaire bedreigingen van de moderne tijd, heeft een onbekend aantal apparaten, hoewel schattingen het aantal op ongeveer 10 schatten. .
Alle kernwapens gebruiken kernsplijting om hun verwoestende explosies te genereren. Vroege wapens, waaronder de Little Boy die tijdens de Tweede Wereldoorlog op Hiroshima werd gedropt, creëerden de kritische massa die nodig was om een kettingreactie op kernsplijting op gang te brengen doorhet afvuren van een holle uranium-235 cilinder op een doelwit gemaakt van hetzelfde materiaal.
LEES VERDER: Wat is een waterstofbom?
Deze techniek heeft zich de afgelopen jaren ontwikkeld en bij moderne wapens hangt de kritische massa af van de dichtheid van het materiaal. Deze wapens brengen chemische explosieven tot ontploffing rond een zogenaamde put van uranium-235 of plutonium-239 metaal. Deze isotopen zijn de meest voorkomende elementen die door splijting kunnen gaan. Uranium en plutonium komen beide van nature voor in minerale afzettingen, zij het in kleine hoeveelheden (minder dan 1% in het geval van uranium en nog minder voor plutonium), wat betekent dat ze moeten worden vervaardigd. Dit is een kostbaar en tijdrovend proces en vormt de belangrijkste belemmering voor het vrijer bouwen van atoombommen.
LEES VOLGENDE: Wat is het verschil tussen een waterstofbom en een atoombom?
hoe weet je of je nummer is geblokkeerd?
Bij moderne nucleaire explosies blaast de explosie naar binnen, waardoor de atomen in de put samen worden gedwongen. Zodra de kritische massa is bereikt, worden neutronen gebruikt om een kettingreactie op te wekken die op zijn beurt de atoomexplosie veroorzaakt. Wapens voor thermonucleaire fusie gebruiken de energie van de splijtingsexplosie om waterstofisotopen samen te dwingen en een vuurbal te creëren die de temperaturen nadert die zo heet zijn als de zon.
