Ülemaailmne tuumaoht tõusis viimastel kuudel pärast väiteid, et Põhja-Korea ehitas tuumarelvi ja president Donald Trumpi oht riigi ohtlikule juhile. Suurenevad pinged põhjustasid Doomsday Clocki liikumise isegi südaööle lähemale.
Vaatamata potentsiaalile maailma hävitada ja ähvardada meie eksistentsi, on tuumaenergial võimalik lahendada ka planeedi tungivad energiavajadused.
Viimastel aastatel on eraettevõtete hulk hüpanud teadusuuringute vagunisse, seda tänu tehnoloogia arengule ja meie arusaamisele asjadest nagu ülijuhid. Google tegi hiljuti tuumasünteesiekspertidega koostööd, et töötada välja keerukate energiaprobleemide lahendamise algoritm, ja MIT on hiljuti öelnud, et tuumasüntees võib võrgus olla vaid 15 aasta pärast.
Veel hiljuti arvavad teadlased, et nad võisid lõhkevaid tähti vaadates avada ühe tuumasünteesi saladuse. Meeskond alatesMichigani ülikooli laser-eksperimentaalsete astrofüüsikaliste uurimiskeskuste rühm uuris, kuidas soojusel on roll materjalide segunemisel supernoovade ajal - valguspunkt, mis tekib siis, kui täht jõuab oma elu lõpuni ja plahvatab. Need plahvatused saadavad tohutult energiat, mõnel juhul rohkem, kui meie enda päike kogu elu jooksul välja annab.
Kuumuse roll kosmoses sellistes termotuumasünteesireaktsioonides on suuresti tähelepanuta jäetud ja teadlased on püüdnud selliseid reaktsioone Maal jäljendada, et aidata kaasa tuumaenergia läbimurdele. Erinevate plasmade segamisel erinevate elementidega, sealhulgas raua, süsinikheeliumi ja vesinikuga laboratoorsetes tingimustes, on teadlased suutnud kindlaks teha, et energiavood põhjustavad soojuse tõusu ja langust, millel on oluline mõju elementide segunemisele plasmad. Seda ei ole varasemates katsetes niimoodi kaalutud ja see võiks lõpuks omada võtit tuumasünteesi Maa peal jätkusuutlikumaks muutmiseks. Uuring on avaldatud aastal Looduskommunikatsioon.
Mis on tuumaenergia?
Kui tuumaenergia võib pakkuda inimestele peaaegu piiramatut energiat, hõlmab tuumaenergia füüsika vastastikmõjusid kõige väiksemate osade vahel, mida võib ette kujutada. Iga universumi aatomi keskel asub väike prootonite ja neutronite kogu, mida nimetatakse tuumaks. Prootonite ja neutronite arv tuumas määrab, milline element on aatom, ja tuum moodustab suurema osa selle aatomi massist.
Tuuma sees seob prootoneid ja neutrone omavahel üks neljast füüsika põhijõust, mida nimetatakse tugevaks jõuks. Nagu nimigi ütleb, on tugev jõud kõigist neljast tugevam, kuid see töötab ainult väikestel vahemaadel - nagu need, mis asuvad tuumas. Teised ongravitatsiooniline, elektromagnetiline ja nõrk. Selles videos kirjeldatakse erinevusi ja kuidas need meid mõjutavad:
Aatomid on peamiselt tühi ruum. Kui aatom oleks jalgpallistaadioni mõõtu, oleks tuum selle keskel umbes kärbse suurune. Aatomi teine osa on aatomi tuuma ümber tiirlevad pilve elektronid, kuid tugev jõud ei kehti elektronide kohta. Selle asemel seovad neid elektromagnetilised jõud, kuna neil on negatiivne laeng, samal ajal kui tuum on positiivselt laetud.
Üldiselt hõlmab tuumafüüsika tuuma moodustamist või purustamist. Mõlemad on protsessid, mille käigus kaotatakse väike osa massist ja need vabastavad tohutult energiat.
Miks on tuumaenergia nii oluline?
Alates 1950. aastatest on füüsikud püüdnud jäljendada Päikest käitavat protsessi, kontrollides vesinikuaatomite liitumist heeliumiks. Selle võimu rakendamise võti on piirata ülikuumad vesinikgaasipallid, mida nimetatakse plasmadeks, kuni termotuumasünteesireaktsioonidest väljuva energia hulk võrdub rohkemaga, kui seda sisestati. Seda punkti nimetavad energiaeksperdid rentaabluseks ja kui see suudab saavutada tehnoloogiline läbimurre ja pakkuda piiramatut ja rikkalikku süsinikdioksiidivaba energiaallikat.
Tõenäoliselt olete teadlik Einsteini kuulsaimast võrrandist E = mc ^ 2. See kinnitab, et väikese koguse massi kadumisel vabanev energia on võrdne selle massiga, korrutatuna valguskiirusega ruut. Valguskiirus on päris tohutu arv.
Vaadake sellega seotud Venemaa hõljuvat Tšernobõli tuumajaama äsja teele Faraday Challenge: Valitsus investeerib 246 miljonit naela Suurbritannia juhtimiseks akutehnoloogias Tuumapommikaart näitab, kui suure tõenäosusega sa tuumarünnaku üle elad Mis on Trident? Ühendkuningriigi tuumaheidutus seletas Tšernobõli ja Fukushima katastroofe: mis juhtub tuumaenergia tõrjutustsoonidega, kui inimesed lahkuvad?
Mis tahes elemendi väikseim tuum koosneb ainult ühest vesinikuaatomites leiduvast prootonist. Vesinik koos heeliumi, liitiumiga ja berülliumiga on universumi kõige kergemad elemendid, mis tähendab, et nende moodustamiseks pole vaja palju energiat. Need valguselemendid tekkisid universumi alguses, kui see oli umbes kolm minutit vana ja piisavalt külm, et prootonid ja neutronid saaksid üksteisega seonduda. See on üks põhjus, miks vesinikuplasmasid peetakse Maa tuumaenergia eraldamise parimaks allikaks.
Pärast neid nelja esimest elementi põrkas universum vastu seina. Perioodilise tabeli järgmise 88 elemendi jaoks oli vaja rohkem energiat, et ületada üksteist oma positiivsete laengutega eemaletõukavad prootonid ja selleks peab mängima tuumasüntees.
Mis on siis tuumasüntees?
Peaaegu kõik meie ümber loodi tähe sees. Tähed algavad vesinikust, mille nad pigistavad kokku heeliumi moodustamiseks. See protsess jätkub, vabastades energiat ja soojendades tähte.
See on vesinikku kütusena kasutav reaktsioon, mis sarnanevad teadlastele ja meeskondadeleTAE Technologiesüritavad matkida tuumasünteesivõimsuse saavutamiseks. Deuteeriumi ja triitiumi tuumade - mida leidub vesinikus - ühinemisel moodustavad nad heeliumituuma, neutroni ja palju energiat.
rakendus ekraanipildi tegemiseks ilma nende teadmata
Kuna tuumasüntees nõuab reaktsioonide käivitamiseks tohutult energiat, on seda protsessi Maal raske kopeerida. Aatomite liitmiseks termotuumasünteesireaktoris on vaja tohutut rõhku ja umbes 150 miljoni kraadi temperatuuri.
Kui meie päikese südamiku suurusel tähel on vesinik (selle kütuseallikas) otsa saanud, hakkab see surema. Surev täht paisub punaseks hiiglaseks ja hakkab heeliumi aatomite sulandamisel tootma süsinikuaatomeid. Suuremad tähed võivad tuumapõletuse järgmises seerias luua raskemaid elemente, alates hapnikust kuni rauani. Kõik, mis on rauast raskem, tekib supernoovas, mis on tohutu plahvatus tähe elu lõpus.
Kuidas on tuumasüntees seotud tuuma lõhustumisega?
Tuumaenergia, nagu me seda Maal tunneme, kasutab teistsugust tuumareaktsiooni, mida nimetatakse lõhustumiseks.
Kui elemendid hakkavad laienema, näiteks uraan või plutoonium, tuuma sisse on pakitud rohkem prootoneid ja neutroneid, on võimalik neid neutronitega lüües jagada väiksemateks elementideks. Selle tulemuseks on ka massi muutus, vabastades tohutul hulgal energiat.
Probleem seisneb reaktsioonide nn järeltoodetes. Need ained on väga radioaktiivsed, muutes need uskumatult ohtlikeks ja see on tuumaenergia kõige olulisem negatiivne külg.
Radioaktiivsete jäätmetega tuleb käituda uskumatult hoolikalt ja parim viis, kuidas meil praegu neist vabaneda, on nende sügavale maa alla matmine. Kuid see muudab tuumareaktorid ohtlikeks kohtadeks ja katastroofid, kus on lekkinud radioaktiivseid jäätmeid, on põhjustanud kohutavaid tagajärgi, näiteks Tšernobõli katastroof 1986. aastal ja Fukushima.
Millised ettevõtted töötavad tuumasünteesiga?
KOOS
Koostöös eraettevõttega Commonwealth Fusion Systems töötasid MITi teadlased hiljuti välja uue põlvkonna termotuumasünteesikatsetused ja elektrijaamad, mis kasutavad kõrgtemperatuurseid ülijuhte. Ehkki partnerlust pole veel realiseeritud, on selle eesmärk ehitada kompaktne seade nimega SPARC.
Kui ülijuhtivad elektromagnetid olid SPARC on välja töötatud ja eeldatavasti peaks see toimuma järgmise kolme aasta jooksul, kasutab SPARC neid termotuumasünteesi tootmiseks 100 miljonit vatti ehk 100 megavatti (MW). Ehkki see ei muuda seda soojust elektriks, toodab see sama palju energiat, kui väike linn kasutab - rohkem kui kaks korda rohkem kui plasma soojendamiseks, luues lõppkokkuvõttes esimest korda sulandumisel positiivse netoenergia. Kui see õnnestub, võib see aidata luua täiemahulise termotuumaelektrijaama prototüübi ja viia maailma vaid 15 aasta jooksul tuumasünteesi teele.
See uurimus järgib Google'i ja Google'i töödTAE Technologies, mis nimetab end maailma suurimaks eraõiguslikuks termotuumasünteesiettevõtteks, ja selle hiiglaslikku ioniseeritud plasmasinat C2-U. Google ehitas plasmafüüsika eksperimentide kiirendamiseks loodud algoritmi ja Tri Alpha Energy lõppeesmärk on sarnaselt CFS-ile ehitada esimene termotuumasünteesil põhinev kommertselektrijaam. Mida kiiremini saab katseid lõpule viia, seda kiiremini ja odavamalt saab selle eesmärgi saavutada ning maailma säästvama, puhta energiaallika suunas liikuda.
LOE JÄRGMINE: üle elada tuumarünnak
Suurem erasektori tuumasünteesialane uurimistöö peegeldab kaalul olevat auhinda - rikkalikku, keskkonnasäästlikku ja ohutut uut viisi elektrienergia tootmiseks, professor Ian Chapman, Suurbritannia aatomienergiaameti tegevjuht ütles .
Selliste katsete tegemiseks peab plasma - ülikuumad gaasipallid - olema pikka aega piiratud.TAE Technologiespiirab neid plasmasid nn meetodi abil välja vastupidine konfiguratsioon mis ennustatakse energia kasvades stabiilsemaks, erinevalt teistest meetoditest, kus plasmasid on nende kuumutamisel raskem kontrollida.
TAE Technologies ”C-2U lükkab need katsed piirini, kui palju elektrivoolu saab rakendada plasma tekitamiseks ja piiramiseks nii väikeses ruumis nii lühikese aja jooksul. Selle seadete optimeerimine (masinal on rohkem kui 1000 nuppu) ja plasma käitumise haldamine on keeruline probleem ja siin tuleb sisse Google'i optometristi algoritm.
Google'i vanema personali tarkvarainseneri Ted Baltzina selgitab , laseb C-2U masin plasmapilti iga kaheksa minuti tagant ja iga kord hõlmab C-2U vaakumisse kahe plasma pöörleva pleki loomist. Need plekid purustatakse kokku kiirusega üle 600 000 miili tunnis, et luua suurem, kuumem pöörlev plasmapall.
LOE JÄRGMINE: Mis on algoritm ?
Seejärel lüüakse plasma palli pidevalt pöörlemata neutraalsetest vesinikuaatomitest valmistatud osakestega. Magnetväljad hoiavad pöörlevat palli kinni kuni 10 millisekundit. Google'i algoritm võtab kõik parameetrid alates seadistuste arvust kuni vaakumi kvaliteedi ja elektronide stabiilsuseni, et inimfüüsikutele lahendusi pakkuda.
Kuidas tuumapommid töötavad?
USA oli esimene tuumarelvade väljatöötamise riik, millele järgnes Venemaa 1949. Alates 2016. aastast on USA-l hinnanguliselt umbes 7000 tuumalõhkepead, sealhulgas vananenud, ladustatud ja paigutatud relvi. Venemaal on väidetavalt umbes 7300 lõhkepead, Prantsusmaal on umbes 300 ja Ühendkuningriigis on 215. Põhja-Koreal, mida peetakse tänapäeva üheks kõige olulisemaks tuumaohuks, on teadmata arv seadmeid, kuigi hinnangute kohaselt on see arv umbes 10 .
Kõik tuumarelvad kasutavad lõhustavat plahvatust. Varased relvad, sealhulgas II maailmasõja ajal Hiroshimale heidetud väike poiss, lõid kriitilise massi, mis on vajalik lõhustumisahela reaktsiooni käivitamiseks,tulistades õõnes uraan-235 silindrit samast materjalist valmistatud sihtmärgi pihta.
LOE ROHKEM: Mis on vesinikupomm?
See tehnika on viimastel aastatel arenenud ja tänapäevaste relvade puhul sõltub kriitiline mass materjali tihedusest. Need relvad lõhkavad keemilisi lõhkeaineid nn uraani-235 või plutoonium-239 metalli süvendi ümber. Need isotoopid on kõige levinumad elemendid, mis on võimelised läbima lõhustumise. Uraani ja plutooniumi leidub looduslikult mineraalide ladestustes, ehkki väikestes kogustes (uraani puhul vähem kui 1% ja plutooniumi puhul veelgi vähem), mis tähendab, et neid tuleb toota. See on kulukas ja aeganõudev protsess ning on peamine takistus tuumapommide vabamale ehitamisele.
LOE JÄRGMINE: Mis vahe on vesinikupommil ja aatomipommil?
mängige lülitil wii u mänge
Tänapäevastes tuumaplahvatustes puhub löök sissepoole, sundides süvendis olevaid aatomeid kokku. Kui kriitiline mass on saavutatud, kasutatakse neutroneid lõhustumisahela reaktsiooni loomiseks, mis omakorda tekitab aatomiplahvatuse. Termotuumasünteesirelvad kasutavad lõhustumise plahvatuse käigus tekkinud energiat, et sundida vesiniku isotoope kokku, luues tulekera, mis läheneb sama kuumale temperatuurile kui päike.
