Globálna jadrová hrozba sa v posledných mesiacoch zvýšila po tvrdeniach, že Severná Kórea vyrába jadrové zbrane, a po hrozbe prezidenta Donalda Trumpa voči nebezpečnému vodcovi krajiny. Stupňujúce sa napätie dokonca spôsobilo Hodiny súdneho dňa priblížiť sa k polnoci.
Napriek svojmu potenciálu zničiť svet a ohroziť našu existenciu, jadrová energia má tiež potenciál vyriešiť naliehavé energetické potreby planéty.
V posledných rokoch naskočili do rozbehnutého vlaku výskumy veľké množstvo súkromných spoločností v dôsledku pokroku v technológii a nášho chápania vecí, ako sú supravodiče. Spoločnosť Google sa nedávno spojila s odborníkmi na jadrovú fúziu, aby vyvinuli algoritmus na riešenie zložitých energetických problémov, a MIT nedávno uviedol, že jadrová fúzia by mohla byť na sieti už o 15 rokov.
Nedávno sa vedci domnievajú, že mohli odhaliť jednu zo záhad jadrovej fúzie pohľadom na explodujúce hviezdy. Tým z Skupina Centra pre laserový experimentálny astrofyzikálny výskum University of Michigan skúmala, ako teplo zohráva úlohu spôsob, akým sa materiály miešajú počas supernov – svetelný bod vytvorený, keď hviezda dosiahne koniec svojho života a vybuchne. Tieto explózie vysielajú obrovské množstvo energie, v niektorých prípadoch viac, ako naše vlastné slnko vydá počas celej svojej životnosti.
Úloha tepla v takýchto fúznych reakciách vo vesmíre bola do značnej miery prehliadaná a vedci sa pokúšali napodobniť takéto reakcie na Zemi, aby pomohli poháňať prelomy v oblasti jadrovej energie. Zmiešaním rôznych plaziem s rôznymi prvkami vrátane železa, uhlíkového hélia a vodíka v laboratórnych podmienkach vedci dosiahli schopný zistiť, že toky energie spôsobujú, že teplo stúpa a klesá, čo má významný vplyv na to, ako sa prvky miešajú s plazmy. V predchádzajúcich experimentoch sa to týmto spôsobom neuvažovalo a mohlo by to byť kľúčom k tomu, aby jadrová fúzia bola na Zemi udržateľnejšia. Výskum je publikovaný v Prírodné komunikácie.
Čo je jadrová energia?
Zatiaľ čo jadrová energia má potenciál poskytnúť ľuďom takmer neobmedzenú energiu, fyzika jadrovej energie zahŕňa interakcie medzi niektorými z najmenších častíc, ktoré si možno predstaviť. V strede každého atómu vo vesmíre leží malá zbierka protónov a neutrónov nazývaná jadro. Počet protónov a neutrónov v jadre určuje, ktorým prvkom atóm je, a jadro tvorí väčšinu hmotnosti tohto atómu.
Vo vnútri jadra sú protóny a neutróny spojené jednou zo štyroch základných fyzikálnych síl nazývaných silná sila. Ako už názov napovedá, silná sila je najsilnejšia zo všetkých štyroch, ale funguje len na malé vzdialenosti – ako tie vo vnútri jadra. Ostatní sú gravitačné, elektromagnetické a slabé. Toto video popisuje rozdiely a ich vplyv na nás:
Atómy sú hlavne prázdny priestor. Ak by bol atóm veľký ako futbalový štadión, jadro by malo v jeho strede veľkosť približne muchy. Druhou časťou atómu sú oblakové elektróny obiehajúce okolo jadra atómu, ale silná sila sa na elektróny nevzťahuje. Namiesto toho sú viazané elektromagnetickými silami, pretože majú záporný náboj, zatiaľ čo jadro je nabité kladne.
Všeobecne povedané, jadrová fyzika zahŕňa vytvorenie alebo rozbitie jadra. Obidva procesy sú procesy, pri ktorých sa stráca malý kúsok hmoty, pričom sa pri nich uvoľňuje obrovské množstvo energie.
Prečo je jadrová energia taká dôležitá?
Od 50. rokov 20. storočia sa fyzici pokúšali napodobniť proces, ktorý poháňa Slnko, riadením fúzie atómov vodíka na hélium. Kľúčom k využitiu tejto sily je „obmedzenie“ ultra horúcich guľôčok plynného vodíka nazývaných plazma, kým množstvo energie vychádzajúcej z fúznych reakcií nebude väčšie, ako bolo vložené. Tento bod je to, čo odborníci v oblasti energetiky nazývajú „prelomový“ a ak sa ho podarí dosiahnuť, predstavoval by technologický prelom a mohol by poskytnúť neobmedzený a výdatný zdroj energie s nulovými emisiami uhlíka.
Pravdepodobne poznáte Einsteinovu najslávnejšiu rovnicu E=mc^2. To znamená, že množstvo energie uvoľnenej pri strate malého kúska hmoty sa rovná hmotnosti vynásobenej rýchlosťou svetla na druhú. Rýchlosť svetla je dosť veľké číslo.
Pozri súvisiace
Najmenšie jadro akéhokoľvek prvku je tvorené iba jedným protónom, ktorý sa nachádza v atómoch vodíka. Vodík je spolu s héliom, lítiom a berýliom najľahšími prvkami vo vesmíre, čo znamená, že na ich vytvorenie nie je potrebné veľa energie. Tieto svetelné prvky vznikli na úplnom začiatku vesmíru, keď bol asi tri minúty starý a dostatočne chladný na to, aby sa protóny a neutróny spojili. To je jeden z dôvodov, prečo sa vodíková plazma považuje za najlepší zdroj ťažby jadrovej energie na Zemi.
Po týchto prvých štyroch elementoch vesmír narazil na stenu. Pre ďalších 88 prvkov v periodickej tabuľke bolo potrebných viac energie, aby sa prekonala protóny, ktoré sa navzájom odpudzujú svojimi kladnými nábojmi, a preto musí prísť k jadrovej fúzii hrať.
Čo je teda jadrová fúzia?
Takmer všetko okolo nás bolo vytvorené vo vnútri hviezdy. Hviezdy začínajú vodíkom, ktorý stláčajú a vytvárajú hélium. Tento proces pokračuje, pričom sa uvoľňuje energia a hviezda sa zahrieva.
Práve túto reakciu využívajúcu vodík ako palivo majú vedci a tímy radi TAE Technologies sa snažia napodobniť, aby sa dosiahla energia jadrovej fúzie. Keď sa jadrá deutéria a trícia – ktoré možno nájsť vo vodíku – splynú, vytvoria jadro hélia, neutrón a veľa energie.
Pretože jadrová fúzia vyžaduje obrovské množstvo energie na spustenie reakcií, ukázalo sa, že tento proces je ťažké skopírovať na Zemi. Na spojenie atómov vo fúznom reaktore je potrebný obrovský tlak a teploty okolo 150 miliónov stupňov.
Keď hviezde s veľkosťou jadra nášho slnka dôjde vodík (jeho zdroj paliva), začne umierať. Umierajúca hviezda expanduje do červeného obra a začína produkovať atómy uhlíka spájaním atómov hélia. Väčšie hviezdy môžu vytvárať ťažšie prvky, od kyslíka po železo, v ďalšej sérii jadrového spaľovania. Čokoľvek ťažšie ako železo vzniká v supernove, obrovskej explózii na konci života obrovskej hviezdy.
Ako súvisí jadrová fúzia s jadrovým štiepením?
Jadrová energia, ako ju poznáme na Zemi, využíva inú jadrovú reakciu, ktorá sa nazýva štiepenie.
Keď sa prvky začnú rozpínať, ako je urán alebo plutónium, s väčším množstvom protónov a neutrónov jadro, je možné ich spätným rozbitím na menšie prvky úderom do nich neutróny. To má za následok aj zmenu hmoty, pri ktorej sa uvoľňuje obrovské množstvo energie.
Problém spočíva v takzvaných „následných produktoch“ reakcií. Tieto látky sú vysoko rádioaktívne, čo ich robí neuveriteľne nebezpečnými a to je najvýznamnejšia nevýhoda jadrovej energie.
S rádioaktívnym odpadom sa musí nakladať neuveriteľne opatrne a najlepší spôsob, ako sa ho v súčasnosti zbaviť, je zakopať ho hlboko pod zem. Ale robí z jadrových reaktorov nebezpečné miesta a katastrofy, pri ktorých unikol rádioaktívny odpad, mali strašné následky, ako napríklad katastrofa v r. Černobyľ v roku 1986 a Fukušima.
Ktoré spoločnosti pracujú na jadrovej fúzii?
MIT
V spolupráci so súkromnou firmou Commonwealth Fusion Systems výskumníci z MIT nedávno navrhli novú generáciu fúznych experimentov a elektrární s použitím vysokoteplotných supravodičov. Hoci sa toto partnerstvo ešte nerealizovalo, jeho cieľom je vybudovať kompaktné zariadenie s názvom SPARC.
Kedysi supravodivé elektromagnety pre SPARC Boli vyvinuté a očakáva sa, že to budú v priebehu nasledujúcich troch rokov, SPARC ich použije na výrobu 100 miliónov wattov alebo 100 megawattov (MW) energie jadrovej syntézy. Toto teplo síce nepremení na elektrinu, ale vyrobí „toľko energie, koľko spotrebuje malé mesto“ – viac ako dvojnásobok toho, čo sa používalo na ohrievanie plazmy, čo v konečnom dôsledku vytvára pozitívnu čistú energiu z fúzie čas. Ak bude úspešný, mohlo by to pomôcť vytvoriť plnohodnotný prototyp fúznej elektrárne a postaviť svet na cestu k jadrovej fúzii už za 15 rokov.
Tento výskum nadväzuje na prácu vykonanú spoločnosťou Google a TAE Technologies, ktorá sa nazýva „najväčšou súkromnou fúznou spoločnosťou na svete“ a jej obrovský ionizovaný plazmový stroj C2-U. Google vytvoril algoritmus navrhnutý na urýchlenie experimentov vo fyzike plazmy a konečným cieľom Tri Alpha Energy, podobne ako v prípade CFS, je postaviť prvú komerčnú elektráreň založenú na jadrovej syntéze. Čím rýchlejšie dokáže dokončiť experimenty, tým rýchlejšie a lacnejšie môže dosiahnuť tento cieľ a posunúť svet smerom k udržateľnejšiemu, čistejšiemu zdroju energie.
ČÍTAJTE ĎALEJ: Prežiť jadrový útok
„Zvýšený výskum jadrovej fúzie v súkromnom sektore odráža obrovskú cenu, o ktorú sa hrá – hojnú, environmentálne zodpovedný a bezpečný nový spôsob výroby elektriny,“ profesor Ian Chapman, generálny riaditeľ UK Atomic Energetický úrad povedal.
Aby bolo možné uskutočniť experimenty tohto druhu, plazma – ultra horúce guľôčky plynu – musia byť „uzavreté“ na dlhé časové obdobia. TAE Technologies obmedzuje tieto plazmy pomocou metódy tzv obrátená konfigurácia o ktorej sa predpokladá, že bude stabilnejšia so zvyšujúcou sa energiou, na rozdiel od iných metód, kde je plazma ťažšie kontrolovať, keď ju zahrievate.
TAE Technologies C-2U posúva tieto experimenty na hranicu toho, koľko elektrickej energie je možné použiť na generovanie a obmedzenie plazmy v tak malom priestore počas tak krátkeho času. Optimalizácia jeho nastavení (zariadenie má viac ako 1 000 tlačidiel) a správa správania plazmy je zložitý problém a tu prichádza na rad algoritmus Optometrist od spoločnosti Google.
Ako vedúci softvérový inžinier spoločnosti Google Ted Baltz vysvetľuje, stroj C-2U spustí plazmový „výstrel“ každých osem minút a každý cyklus zahŕňa vytvorenie dvoch rotujúcich kvapôčok plazmy vo vákuu C-2U. Tieto guličky sú rozbité spolu rýchlosťou viac ako 600 000 míľ za hodinu, aby vytvorili väčšiu, horúcejšiu, rotujúcu guľu plazmy.
ČÍTAJTE ĎALEJ: Čo je to algoritmus?
Guľa plazmy je potom nepretržite zasiahnutá lúčmi častíc vyrobenými z neutrálnych atómov vodíka, aby sa udržala v rotácii. Magnetické polia udržia rotujúcu guľu až 10 milisekúnd. Google algoritmu berie všetky parametre od počtu nastavení až po kvalitu vákua a stabilitu elektrónov, aby predložil ľudským fyzikom riešenia.
Ako fungujú jadrové bomby?
USA boli prvou krajinou, ktorá vyvinula jadrové zbrane, v roku 1949 nasledovalo Rusko. Od roku 2016 sa odhaduje, že USA majú okolo 7 000 jadrových hlavíc vrátane vyradených, uskladnených a rozmiestnených zbraní. Rusko má údajne okolo 7300 hlavíc, Francúzsko má okolo 300 a Spojené kráľovstvo má 215. Severná Kórea, ktorá je považovaná za jednu z najvýznamnejších jadrových hrozieb modernej doby, má neznámy počet zariadení, hoci odhady hovoria o približne 10.
Všetky jadrové zbrane využívajú štiepenie na generovanie svojich ničivých výbuchov. Prvé zbrane, vrátane malého chlapca, ktorý počas druhej svetovej vojny spadol na Hirošimu, vytvorili kritické množstvo potrebné na naštartovanie reťazovej štiepnej reakcie. vystrelenie dutého valca s uránom-235 na terč vyrobený z rovnakého materiálu.
ČÍTAJ VIAC: Čo je vodíková bomba?
Táto technika v posledných rokoch pokročila a v moderných zbraniach závisí kritické množstvo od hustoty materiálu. Tieto zbrane detonujú chemické výbušniny okolo takzvanej „jamy“ kovového uránu-235 alebo plutónia-239. Tieto izotopy sú najbežnejšie prvky schopné prejsť štiepením. Urán aj plutónium sa prirodzene nachádzajú v ložiskách nerastov, aj keď v nepatrných množstvách (menej ako 1 % v prípade uránu a ešte menej v prípade plutónia), čo znamená, že musia byť „vyrobené“. Ide o nákladný a časovo náročný proces a je hlavnou prekážkou voľnejšieho vytvárania jadrových bômb.
ČÍTAJTE ĎALEJ: Aký je rozdiel medzi vodíkovou bombou a atómovou bombou?
Pri moderných jadrových výbuchoch fúka výbuch dovnútra a núti atómy v „jame“ k sebe. Po dosiahnutí kritickej hmotnosti sa neutróny použijú na vytvorenie reťazovej štiepnej reakcie, ktorá zase spôsobí atómový výbuch. Termonukleárne fúzne zbrane využívajú energiu zo štiepnej explózie, aby spojili izotopy vodíka a vytvorili ohnivú guľu, ktorá sa blíži teplotám horúcim ako slnko.
