אנרגיה גרעינית: כוכבים מתפוצצים עשויים להחזיק את המפתח לפתיחת היתוך גרעיני על כדור הארץ

האיום הגרעיני העולמי התגבר בחודשים האחרונים בעקבות הטענות שצפון קוריאה בנתה נשק גרעיני והאיום של הנשיא דונלד טראמפ נגד המנהיג המסוכן במדינה. המתיחות המתגברת גרמה אפילו לשעון יום הדין להתקרב לחצות.

עם זאת, למרות הפוטנציאל שלה להשמיד את העולם, ולאיים על עצם קיומנו, לאנרגיה גרעינית יש גם פוטנציאל לפתור את צרכי הכוח הדוחקים של כדור הארץ.

בשנים האחרונות קיפצו חלקי חברות פרטיות לרכבת המחקר, בגלל ההתקדמות הטכנולוגית והבנתנו דברים כמו מוליכים. גוגל התחברה לאחרונה עם מומחי היתוך גרעיני לפיתוח אלגוריתם לפיתרון בעיות אנרגיה מורכבות, ו- MIT אמרו לאחרונה כי היתוך גרעיני יכול להיות ברשת רק 15 שנים.

לאחרונה, מדענים מאמינים כי יתכן ופתחו את אחת מתעלומות ההיתוך הגרעיני על ידי התבוננות בכוכבים מתפוצצים. הצוות, מה-קבוצת המחקר לאסטרופיזיקה ניסיונית של אוניברסיטת מישיגן, בדקה כיצד החום ממלא תפקיד באופן שבו חומרים מתערבבים במהלך סופרנובות - נקודת האור שנוצרת כשכוכב מגיע לסוף חייו ומתפוצץ. פיצוצים אלה שולחים כמויות אדירות של אנרגיה, ובמקרה מסוים יותר ממה שהשמש שלנו תיתן במהלך כל חייו.

התפקיד שממלא חום בתגובות היתוך כאלה בחלל התעלם במידה רבה ומדענים ניסו לחקות תגובות כאלה על פני כדור הארץ כדי לסייע בהנעת פריצות דרך לאנרגיה גרעינית. על ידי ערבוב פלזמות שונות עם אלמנטים שונים, כולל ברזל, פחמן הליום ומימן בתנאי מעבדה, החוקרים הצליחו לקבוע כי שטף האנרגיה גורם לחום לעלות ולנפילה, מה שמשפיע באופן משמעותי על האופן שבו היסודות מתערבבים עם פלזמות. זה לא נחשב בצורה זו, בניסויים קודמים, ויכול היה סוף סוף להחזיק את המפתח להפיכת היתוך גרעיני ליותר בר קיימא על פני כדור הארץ. המחקר פורסם ב תקשורת טבע.

מהי אנרגיה גרעינית?

בעוד שלכוח גרעיני יש פוטנציאל לספק לבני אדם אנרגיה כמעט בלתי מוגבלת, הפיזיקה העומדת מאחורי אנרגיה גרעינית כוללת אינטראקציות בין חלקיקים זעירים ביותר שניתן להעלות על הדעת. במרכז כל אטום ביקום מונח אוסף זעיר של פרוטונים ונויטרונים הנקראים גרעין. מספר הפרוטונים והנייטרונים בגרעין קובע איזה יסוד האטום הוא, והגרעין מהווה את רוב המסה של אותו אטום.

בתוך הגרעין, הפרוטונים והנייטרונים קשורים זה לזה על ידי אחד מארבעת כוחות היסוד בפיזיקה המכונים הכוח החזק. כשמו כן הוא, הכוח החזק הוא החזק מבין כל הארבעה, אך הוא פועל רק במרחקים קטנים - כמו אלה שנמצאים בתוך גרעין. האחרים הםכוח משיכה, אלקטרומגנטי וחלש. סרטון זה מתאר את ההבדלים וכיצד הם משפיעים עלינו:

האטומים הם בעיקר שטח ריק. אם אטום היה בגודל של אצטדיון כדורגל, הגרעין היה בערך בגודל של זבוב באמצעו. החלק השני של האטום הוא אלקטרוני הענן המקיפים את גרעין האטום, אך הכוח החזק אינו חל על אלקטרונים. במקום זאת הם קשורים לכוחות אלקטרומגנטיים, מכיוון שיש להם מטען שלילי ואילו הגרעין טעון באופן חיובי.

באופן כללי, פיזיקה גרעינית כוללת יצירה או שבירה של גרעין. שניהם תהליכים שבאמצעותם מעט מסה הולכת לאיבוד, ואלה משחררים כמויות אדירות של אנרגיה.

מדוע כוח גרעיני כל כך חשוב?

מאז שנות החמישים, פיזיקאים מנסים לחקות את התהליך שמניע את השמש על ידי שליטה על היתוך אטומי מימן להליום. המפתח לרתום כוח זה הוא להגביל כדורי גז מימן חמים במיוחד המכונים פלזמות עד שכמות האנרגיה שיוצאת מתגובות ההיתוך שווה ליותר מכפי שהוכנס. נקודה זו מה שמומחים באנרגיה מכנים הפסקה, ואם היא יכולה להיות מושגת, זה יהווה פריצת דרך טכנולוגית ויכול לספק מקור בלתי מוגבל ושופע של אנרגיה אפסית של פחמן.

סביר להניח שתהיו מודעים למשוואה המפורסמת ביותר של איינשטיין, E = mc ^ 2. זה קובע שכמות האנרגיה המשתחררת כאשר מעט מסה מאבדת שווה לאותה מסה המוכפלת במהירות האור בריבוע. מהירות האור היא מספר עצום למדי.

ראו תחנת הכוח הגרעינית הצף של רוסיה הקשורה ברוסיה זה עתה הפליגה באתגר פאראדיי: הממשלה תשקיע 246 מיליון ליש'ט בהפיכת בריטניה למובילה בתחום טכנולוגיית הסוללות מפת פצצות גרעיניות מגלה עד כמה אתה צפוי לשרוד מתקפה גרעינית מה זה טרידנט? ההרתעה הגרעינית של בריטניה הסבירה את האסונות בצ'רנוביל ופוקושימה: מה קורה לאזורי הרחקה גרעינית כאשר בני אדם עוזבים?

הגרעין הקטן ביותר מכל יסוד מורכב מפרוטון אחד בלבד, הנמצא באטומי מימן. מימן, לצד הליום, ליתיום ובריליום הם היסודות הקלים ביותר ביקום, כלומר אין צורך באנרגיה רבה כדי שייווצרו. אלמנטים קלים אלה נוצרו כבר בתחילת היקום, כשהיה בן כשלוש דקות וקר מספיק בכדי שהפרוטונים והניטרונים יתאחדו. זו אחת הסיבות לכך שפלסמות מימן נתפסות כמקור הטוב ביותר להפקת אנרגיה גרעינית על פני כדור הארץ.

לאחר ארבעת היסודות הראשונים הללו, היקום פגע בחומה. היה צורך באנרגיה רבה יותר ל -88 היסודות הבאים בטבלה המחזורית, כדי להתגבר על הפרוטונים הדוחים זה את זה במטענים החיוביים שלהם, ולפיוז'ן גרעיני זה צריך להיכנס למשחק.

אז מה זה היתוך גרעיני?

כמעט כל מה שסביבנו נוצר בתוך כוכב. כוכבים מתחילים במימן, שאותו הם סוחטים יחד כדי ליצור הליום. תהליך זה נמשך, משחרר אנרגיה ומחמם את הכוכב.

זו התגובה, שמשתמשת במימן כדלק, שמדענים וצוותים כמו אלה שנמצאים בהםטכנולוגיות TAEמנסים לחקות להשיג כוח היתוך גרעיני. כאשר גרעיני דאוטריום וטריטיום - אשר ניתן למצוא במימן - מתמזגים, הם יוצרים גרעין הליום, נויטרון והרבה אנרגיה.

איך אני מעביר אוטומטית הודעות טקסט לדוא"ל שלי?

מכיוון שהתוך גרעיני דורש כמויות אדירות של אנרגיה בכדי להתחיל בתגובות, התהליך הוכיח את עצמו קשה להעתקה על פני כדור הארץ. נדרש לחץ עצום וטמפרטורות של כ -150 מיליון מעלות בכדי לגרום לאטומים להתאגד בכור היתוך.

כשכוכב בגודל ליבת השמש שלנו נגמר המימן (מקור הדלק שלו) הוא מתחיל למות. הכוכב הגוסס מתרחב לענק אדום ומתחיל לייצר אטומי פחמן על ידי מיזוג אטומי הליום. כוכבים גדולים יותר יכולים ליצור יסודות כבדים יותר, מחמצן ועד ברזל, בסדרה נוספת של שריפה גרעינית. כל דבר כבד יותר מברזל נוצר בסופרנובה, הפיצוץ הענק בסוף חייו של כוכב מאסיבי.

כיצד קשור היתוך גרעיני לביקוע גרעיני?

כוח גרעיני, כפי שאנו מכירים אותו על כדור הארץ, משתמש בתגובה גרעינית אחרת, הנקראת ביקוע.

כאשר יסודות מתחילים להתרחב, כמו אורניום או פלוטוניום, עם יותר פרוטונים ונויטרונים ארוזים בתוך הגרעין, אפשר לפרק אותם בחזרה לאלמנטים קטנים יותר על ידי מכה בהם עם נויטרונים. זה גם גורם לשינוי במסה, ומשחרר כמויות אדירות של אנרגיה.

הבעיה נעוצה בתוצרי לוואי המכונים של התגובות. חומרים אלה הם רדיואקטיביים ביותר, מה שהופך אותם למסוכנים להפליא וזה החיסרון המשמעותי ביותר באנרגיה גרעינית.

יש לטפל בפסולת רדיואקטיבית בזהירות מדהימה והדרך הטובה ביותר שיש לנו כיום להיפטר ממנה היא להטמין אותה עמוק מתחת לאדמה. אבל זה הופך את הכורים הגרעיניים למקומות מסוכנים, ואסונות בהם הודלף פסולת רדיואקטיבית גרמו לתוצאות קשות, כמו האסון בצ'רנוביל ב -1986 ופוקושימה.

אילו חברות עובדות על היתוך גרעיני?

עם

בעבודה עם החברה הפרטית Commonwealth Fusion Systems, חוקרים ב- MIT תכננו לאחרונה דור חדש של ניסויי פיוז'ן ותחנות כוח באמצעות מוליכי-על בטמפרטורה גבוהה. למרות שעדיין לא מומשה, השותפות מכוונת לבנות מכשיר קומפקטי בשם SPARC.

פעם האלקטרומגנטים המוליכים על עבור SPARC פותחו, וצפויים להיות בשלוש השנים הקרובות, SPARC תשתמש בהם לייצור 100 מיליון וואט, או 100 מגה-וואט (MW), של כוח היתוך. הוא אמנם לא יהפוך את החום הזה לחשמל, אך הוא יפיק כוח רב כמו שמשתמשת בעיר קטנה - יותר מכפליים מזה שהיה מחמם פלזמה, ובסופו של דבר יוצר אנרגיה נטו חיובית מהתמזגות לראשונה. אם יצליח, זה יכול לסייע ביצירת אב-טיפוס בקנה מידה מלא של תחנת כוח היתוך ולהציב את העולם בדרך להתמזגות גרעינית תוך 15 שנה בלבד.

גוגל

מחקר זה ממשיך את העבודה שנעשתה על ידי Google ו-טכנולוגיות TAE, המכנה את עצמה חברת ההיתוך הפרטית הגדולה בעולם, ומכונת הפלזמה המיוננת הענקית שלה C2-U. גוגל בנתה אלגוריתם שנועד להאיץ את הניסויים בפיזיקת פלזמה והמטרה הסופית של Tri Alpha Energy, בדומה ל- CFS, היא להקים תחנת כוח מסחרית מבוססת היתוך ראשונה. ככל שהוא יכול להשלים ניסויים מהר יותר, כך הוא יכול להשיג מטרה זו מהר יותר וזול יותר ולהניע את העולם לעבר מקור אנרגיה בר קיימא ונקי יותר.

קרא הבא: לשרוד מתקפה גרעינית

מחקר מוגבר במגזר הפרטי על מיזוג גרעיני משקף את הפרס העצום העומד על הפרק - דרך חדשה בשפע, אחראית וסביבתית לייצור חשמל, פרופסור איאן צ'פמן, מנכ'ל הרשות לאנרגיה אטומית בבריטניה אמר .

על מנת לבצע ניסויים מסוג זה, יש לסגור את הפלזמה - כדורי גז חמים במיוחד - לפרקי זמן ארוכים.טכנולוגיות TAEמגביל את הפלזמות הללו בשיטה הנקראת תצורה הפוכה לשדה אשר נחזה להיות יציב יותר ככל שהאנרגיה גדלה, בניגוד לשיטות אחרות שבהן קשה יותר לשלוט בפלזמות ככל שאתה מחמם אותן.

TAE Technologies 'C-2U דוחף את הניסויים הללו עד לגבול כמות החשמל שניתן לייצר כדי לייצר ולהגביל את הפלזמה בחלל כה קטן לאורך זמן כה קצר. אופטימיזציה של ההגדרות שלה (למכונה יש יותר מ -1,000 כפתורים) וניהול התנהגות של פלזמה היא בעיה מורכבת וכאן נכנס אלגוריתם האופטומטריסט של גוגל.

בתור מהנדס התוכנה הבכיר של גוגל טד בלץ מסביר , מכונת C-2U מרימה זריקת פלזמה כל שמונה דקות וכל ריצה כוללת יצירת שתי כתמי פלזמה מסתובבים בתוך הוואקום של C-2U. כתמים אלה מנופצים יחד ביותר מ -600,000 מייל לשעה כדי ליצור כדור פלזמה גדול וחם יותר.

קרא הבא: מהו אלגוריתם ?

כדור הפלזמה נפגע ברציפות עם קורות חלקיקים העשויות אטומי מימן ניטרליים כדי לשמור על סיבובו. שדות מגנטיים אוחזים בכדור מסתובב למשך 10 מילי-שניות. של גוגל אַלגוֹרִיתְם לוקח את כל הפרמטרים ממספר ההגדרות לאיכות הוואקום ויציבות האלקטרונים כדי להציג לפיזיקאים האנושיים פתרונות.

כיצד פועלות פצצות גרעיניות?

ארה'ב הייתה המדינה הראשונה שפיתחה נשק גרעיני, ואחריה רוסיה בשנת 1949. נכון לשנת 2016 ההערכה היא כי בארה'ב יש כ -7,000 ראשי נפץ גרעיניים, כולל נשק בדימוס, מאוחסן ופרוס. אומרים כי ברוסיה יש כ- 7,300 ראשי נפץ, בצרפת יש כ -300 ובבריטניה יש 215. בצפון קוריאה, שנחשבת לאחד האיומים הגרעיניים המשמעותיים ביותר של העת החדשה, יש מספר לא ידוע של מכשירים, אם כי הערכות מציבות את המספר סביב 10 .

כל הנשק הגרעיני משתמש בביקוע כדי לייצר את הפיצוצים ההרסניים שלהם. כלי נשק מוקדמים, כולל הילד הקטן שהוטל על הירושימה במהלך מלחמת העולם השנייה, יצרו את המסה הקריטית הדרושה בכדי להניע את תגובת שרשרת הביקוע על ידיירי גליל אורניום 235 חלול לעבר מטרה העשויה מאותו חומר.

קרא עוד: מהי פצצת מימן?

טכניקה זו התקדמה בשנים האחרונות, ובכלי נשק של ימינו, המסה הקריטית תלויה בצפיפות החומר. כלי נשק אלה מפוצצים חומר נפץ כימי סביב בור מה שנקרא אורניום -235 או פלוטוניום -239 מתכת. איזוטופים אלה הם האלמנטים הנפוצים ביותר המסוגלים לעבור ביקוע. אורניום ופלוטוניום נמצאים באופן טבעי במאגרי מינרלים, אם כי בכמויות זעירות (פחות מ -1% במקרה של אורניום ואפילו פחות עבור פלוטוניום), כלומר יש לייצר אותם. זהו תהליך יקר וגוזל זמן והוא המכשול העיקרי לבניית פצצות גרעיניות באופן חופשי יותר.

קרא הבא: מה ההבדל בין פצצת מימן לפצצת אטום?

חלונות 10 מראים אחוזי סוללה בשורת המשימות

בהתפוצצות גרעינית מודרנית, הפיצוץ נושף פנימה, ומכריח את האטומים בבור יחד. לאחר השגת מסה קריטית, משתמשים בנייטרונים ליצירת תגובת שרשרת ביקוע, אשר, בתורם, יוצרת את הפיצוץ האטומי. נשק היתוך תרמו גרעיני משתמש באנרגיה מפיצוץ הביקוע בכדי לאלץ איזוטופים מימן ויוצרים כדור אש שמתקרב לטמפרטורות חמות כמו השמש.