Kernenergie: Explodierende Sterne könnten den Schlüssel zur Erschließung der Kernfusion auf der Erde darstellen

Die globale nukleare Bedrohung hat in den letzten Monaten zugenommen, nachdem behauptet wurde, Nordkorea baue Atomwaffen und die Bedrohung durch Präsident Donald Trump gegen den gefährlichen Führer des Landes. Die eskalierenden Spannungen führten sogar dazu, dass sich die Weltuntergangsuhr der Mitternacht näherte.

Trotz ihres Potenzials, die Welt zu zerstören und unsere Existenz zu bedrohen, hat die Kernenergie auch das Potenzial, den dringenden Energiebedarf des Planeten zu decken.

In den letzten Jahren sind aufgrund des technologischen Fortschritts und unseres Verständnisses für Dinge wie Supraleiter zahlreiche private Unternehmen in die Forschung eingestiegen. Google hat sich kürzlich mit Experten für Kernfusion zusammengetan, um einen Algorithmus zur Lösung komplexer Energieprobleme zu entwickeln. Das MIT hat kürzlich erklärt, dass die Kernfusion in nur 15 Jahren ans Netz gehen könnte.

In jüngerer Zeit glauben Wissenschaftler, eines der Geheimnisse der Kernfusion durch die Betrachtung explodierender Sterne gelüftet zu haben. Das Team aus demDie Forschungsgruppe des Center for Laser Experimental Astrophysical University der Universität von Michigan untersuchte, wie Wärme eine Rolle bei der Vermischung von Materialien während einer Supernovae spielt - dem Lichtpunkt, der entsteht, wenn ein Stern das Ende seines Lebens erreicht und explodiert. Diese Explosionen senden enorme Mengen an Energie aus, in einigen Fällen mehr, als unsere eigene Sonne im Laufe ihres gesamten Lebens abgeben wird.

Die Rolle, die Wärme bei solchen Fusionsreaktionen im Weltraum spielt, wurde weitgehend übersehen, und Wissenschaftler haben versucht, solche Reaktionen auf der Erde nachzuahmen, um den Durchbruch der Kernenergie voranzutreiben. Durch Mischen verschiedener Plasmen mit verschiedenen Elementen, einschließlich Eisen, Kohlenstoff-Helium und Wasserstoff, unter Laborbedingungen konnten die Forscher feststellen, dass Energieflüsse dazu führen, dass die Wärme steigt und fällt, was einen erheblichen Einfluss darauf hat, wie sich die Elemente mit dem mischen Plasmen. Dies wurde in früheren Experimenten nicht auf diese Weise berücksichtigt und könnte schließlich den Schlüssel für eine nachhaltigere Kernfusion auf der Erde darstellen. Die Forschung ist veröffentlicht in Naturkommunikation.

Was ist Kernenergie?

Während die Kernenergie das Potenzial hat, den Menschen mit nahezu unbegrenzter Energie zu versorgen, beinhaltet die Physik hinter der Kernenergie Wechselwirkungen zwischen einigen der kleinsten vorstellbaren Teilchen. Im Zentrum jedes Atoms im Universum befindet sich eine winzige Ansammlung von Protonen und Neutronen, die als Kern bezeichnet wird. Die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern bestimmt, welches Element das Atom ist, und der Kern macht den größten Teil der Masse dieses Atoms aus.

Innerhalb des Kerns sind die Protonen und Neutronen durch eine der vier fundamentalen Kräfte in der Physik miteinander verbunden, die als starke Kraft bezeichnet werden. Wie der Name schon sagt, ist die starke Kraft die stärkste von allen vier, aber sie wirkt nur in kleinen Entfernungen - wie in einem Kern. Die anderen sindgravitativ, elektromagnetisch und schwach. Dieses Video beschreibt die Unterschiede und wie sie sich auf uns auswirken:

Atome sind hauptsächlich leere Räume. Wenn ein Atom die Größe eines Fußballstadions hätte, wäre der Kern ungefähr so ​​groß wie eine Fliege in der Mitte. Der andere Teil eines Atoms sind die Wolkenelektronen, die den Kern eines Atoms umkreisen, aber die starke Kraft wirkt nicht auf Elektronen. Sie sind stattdessen durch elektromagnetische Kräfte gebunden, da sie eine negative Ladung haben, während der Kern positiv geladen ist.

Im Allgemeinen beinhaltet die Kernphysik das Bilden oder Brechen eines Kerns. Beides sind Prozesse, bei denen ein winziges Stück Masse verloren geht und die große Mengen an Energie freisetzen.

Warum ist Atomkraft so wichtig?

Seit den 1950er Jahren versuchen Physiker, den Prozess, der die Sonne antreibt, nachzuahmen, indem sie die Fusion von Wasserstoffatomen zu Helium steuern. Der Schlüssel zur Nutzung dieser Kraft besteht darin, ultraheiße Wasserstoffgaskugeln, sogenannte Plasmen, einzuschränken, bis die aus den Fusionsreaktionen austretende Energiemenge mehr entspricht als eingegeben wurde. Diesen Punkt nennen Energieexperten Breakeven und wenn möglich erreicht werden würde, würde dies einen technologischen Durchbruch darstellen und könnte eine unbegrenzte und reichlich vorhandene Quelle für kohlenstofffreie Energie darstellen.

Sie kennen wahrscheinlich Einsteins berühmteste Gleichung, E = mc ^ 2. Dies besagt, dass die Energiemenge, die freigesetzt wird, wenn ein winziges Stück Masse verloren geht, gleich der Masse multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ist. Die Lichtgeschwindigkeit ist eine ziemlich große Zahl.

Siehe das schwimmende russische Kernkraftwerk Tschernobyl hat gerade die Segel gesetzt Faraday Challenge: Die Regierung investiert 246 Millionen Pfund, um Großbritannien zu einem führenden Unternehmen in der Batterietechnologie zu machen Die Atombombenkarte zeigt, wie wahrscheinlich es ist, dass Sie einen Atomangriff überleben Was ist Trident? Die nukleare Abschreckung Großbritanniens erklärte die Katastrophen von Tschernobyl und Fukushima: Was passiert mit nuklearen Sperrzonen, wenn Menschen das Land verlassen?

Der kleinste Kern eines Elements besteht aus nur einem Proton, das sich in Wasserstoffatomen befindet. Wasserstoff ist neben Helium, Lithium und Beryllium die leichtesten Elemente im Universum, was bedeutet, dass für ihre Bildung nicht viel Energie benötigt wird. Diese leichten Elemente bildeten sich zu Beginn des Universums, als es ungefähr drei Minuten alt und kalt genug war, damit Protonen und Neutronen zusammenbinden konnten. Dies ist ein Grund, warum Wasserstoffplasmen als die beste Quelle für die Gewinnung von Kernenergie auf der Erde angesehen werden.

Nach diesen ersten vier Elementen stieß das Universum gegen eine Wand. Für die nächsten 88 Elemente im Periodensystem wurde mehr Energie benötigt, um die sich gegenseitig abstoßenden Protonen mit ihren positiven Ladungen zu überwinden, und dafür muss die Kernfusion ins Spiel kommen.

Was ist Kernfusion?

Fast alles um uns herum wurde in einem Stern erschaffen. Sterne beginnen mit Wasserstoff, den sie zu Helium zusammendrücken. Dieser Prozess setzt sich fort, setzt Energie frei und erwärmt den Stern.

Es ist diese Reaktion, bei der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, die Wissenschaftler und Teams mögenTAE Technologiesversuchen nachzuahmen, um Kernfusionskraft zu erreichen. Wenn Deuterium- und Tritiumkerne - die in Wasserstoff enthalten sind - verschmelzen, bilden sie einen Heliumkern, ein Neutron und viel Energie.

warum spricht mein roku mit mir?

Da die Kernfusion große Mengen an Energie benötigt, um Reaktionen auszulösen, hat sich der Prozess auf der Erde als schwierig zu kopieren erwiesen. Es erfordert einen immensen Druck und Temperaturen von etwa 150 Millionen Grad, um Atome in einem Fusionsreaktor zu verbinden.

Wenn einem Stern von der Größe unseres Sonnenkerns der Wasserstoff (seine Brennstoffquelle) ausgeht, beginnt er zu sterben. Der sterbende Stern dehnt sich zu einem roten Riesen aus und beginnt durch Fusion von Heliumatomen Kohlenstoffatome zu produzieren. Größere Sterne können bei einer weiteren Reihe von Kernbränden schwerere Elemente erzeugen, von Sauerstoff bis Eisen. Alles, was schwerer als Eisen ist, entsteht in einer Supernova, der riesigen Explosion am Ende des Lebens eines massiven Sterns.

Wie hängt die Kernfusion mit der Kernspaltung zusammen?

Die Kernenergie, wie wir sie auf der Erde kennen, nutzt eine andere Kernreaktion, die als Spaltung bezeichnet wird.

Wenn sich Elemente wie Uran oder Plutonium mit mehr Protonen und Neutronen im Kern ausdehnen, können sie durch Schlagen mit Neutronen wieder in kleinere Elemente zerlegt werden. Dies führt auch zu einer Massenänderung, bei der große Mengen an Energie freigesetzt werden.

Das Problem liegt in den sogenannten Nachprodukten der Reaktionen. Diese Substanzen sind hochradioaktiv, was sie unglaublich gefährlich macht, und dies ist der größte Nachteil der Kernenergie.

Radioaktive Abfälle müssen unglaublich sorgfältig behandelt werden, und der beste Weg, sie derzeit loszuwerden, besteht darin, sie tief unter der Erde zu vergraben. Aber es macht Kernreaktoren zu gefährlichen Orten, und Katastrophen, bei denen radioaktive Abfälle ausgetreten sind, haben schwerwiegende Folgen gehabt, wie die Katastrophe in Tschernobyl 1986 und in Fukushima.

Welche Unternehmen arbeiten an der Kernfusion?

MIT

In Zusammenarbeit mit dem privaten Unternehmen Commonwealth Fusion Systems haben Forscher am MIT kürzlich eine neue Generation von Fusionsexperimenten und Kraftwerken mit Hochtemperatursupraleitern entwickelt. Obwohl noch nicht realisiert, zielt die Partnerschaft darauf ab, ein kompaktes Gerät namens SPARC zu bauen.

Sobald die supraleitenden Elektromagnete für SPARC SPARC wurde entwickelt und wird voraussichtlich in den nächsten drei Jahren entwickelt. Damit werden SPARC 100 Millionen Watt oder 100 Megawatt (MW) Fusionsleistung erzeugen. Diese Wärme wird zwar nicht in Elektrizität umgewandelt, es wird jedoch so viel Strom erzeugt, wie eine kleine Stadt verbraucht - mehr als doppelt so viel wie beim Erhitzen von Plasma, wodurch letztendlich zum ersten Mal eine positive Nettoenergie aus der Fusion erzeugt wird. Wenn dies gelingt, könnte dies dazu beitragen, einen vollständigen Prototyp eines Fusionskraftwerks zu erstellen und die Welt in nur 15 Jahren auf den Weg zur Kernfusion zu bringen.

Google

Diese Forschung knüpft an die Arbeit von Google und anTAE Technologies, das sich selbst als das weltweit größte private Fusionsunternehmen bezeichnet, und seine riesige ionisierte Plasmamaschine C2-U. Google hat einen Algorithmus entwickelt, um Experimente in der Plasmaphysik zu beschleunigen. Das ultimative Ziel von Tri Alpha Energy ist es, ähnlich wie bei CFS, das erste kommerzielle Kraftwerk auf Fusionsbasis zu bauen. Je schneller Experimente durchgeführt werden können, desto schneller und billiger kann dieses Ziel erreicht und die Welt auf eine nachhaltigere, sauberere Energiequelle umgestellt werden.

WEITERLESEN: Einen Atomangriff überleben

Die verstärkte Forschung des privaten Sektors zur Kernfusion spiegelt den enormen Preis wider, der auf dem Spiel steht - eine reichlich vorhandene, umweltbewusste und sichere neue Art der Stromerzeugung, Professor Ian Chapman, CEO der britischen Atomenergiebehörde sagte .

Um solche Experimente durchführen zu können, muss das Plasma - ultraheiße Gaskugeln - für lange Zeiträume eingeschlossen werden.TAE Technologiesbegrenzt diese Plasmen mit einer Methode namens feldumgekehrte Konfiguration Dies wird voraussichtlich mit zunehmender Energie stabiler, im Gegensatz zu anderen Methoden, bei denen Plasmen beim Erhitzen schwerer zu kontrollieren sind.

TAE Technologies “C-2U bringt diese Experimente an die Grenze dessen, wie viel elektrische Energie angelegt werden kann, um das Plasma in so kurzer Zeit auf so kleinem Raum zu erzeugen und einzuschließen. Die Optimierung der Einstellungen (das Gerät verfügt über mehr als 1.000 Tasten) und die Verwaltung des Plasmaverhaltens ist ein komplexes Problem. Hier kommt der Optometrist-Algorithmus von Google ins Spiel.

Als leitender Softwareentwickler von Google, Ted Baltz erklärt Die C-2U-Maschine führt alle acht Minuten einen Plasma-Schuss durch. Bei jedem Lauf werden zwei sich drehende Plasmaklumpen im Vakuum des C-2U erzeugt. Diese Blobs werden mit einer Geschwindigkeit von mehr als 600.000 Meilen pro Stunde zusammengeschlagen, um einen größeren, heißeren, sich drehenden Plasmakugel zu erzeugen.

WEITERLESEN: Was ist ein Algorithmus? ?

Die Plasmakugel wird dann kontinuierlich mit Teilchenstrahlen aus neutralen Wasserstoffatomen getroffen, damit sie sich weiter dreht. Magnetfelder halten die sich drehende Kugel 10 Millisekunden lang fest. Google Algorithmus Nimmt alle Parameter von der Anzahl der Einstellungen bis zur Qualität des Vakuums und der Stabilität der Elektronen, um den menschlichen Physikern Lösungen vorzustellen.

Wie funktionieren Atombomben?

Die USA waren das erste Land, das Atomwaffen entwickelte, gefolgt von Russland im Jahr 1949. Ab 2016 haben die USA schätzungsweise rund 7.000 Atomsprengköpfe, darunter Waffen im Ruhestand, gelagert und eingesetzt. Russland soll rund 7.300 Sprengköpfe haben, Frankreich rund 300 und Großbritannien 215. Nordkorea, das als eine der bedeutendsten nuklearen Bedrohungen der Neuzeit gilt, verfügt über eine unbekannte Anzahl von Geräten, obwohl Schätzungen zufolge rund 10 vorhanden sind .

Alle Atomwaffen nutzen die Spaltung, um ihre verheerenden Explosionen zu erzeugen. Frühe Waffen, einschließlich des Little Boy, der während des Zweiten Weltkriegs auf Hiroshima abgeworfen wurde, schufen die kritische Masse, die erforderlich war, um eine Spaltungskettenreaktion durch auszulösenBrennen eines hohlen Uran-235-Zylinders auf ein Ziel aus demselben Material.

WEITERLESEN: Was ist eine Wasserstoffbombe?

Diese Technik hat sich in den letzten Jahren weiterentwickelt und bei modernen Waffen hängt die kritische Masse von der Dichte des Materials ab. Diese Waffen detonieren chemische Sprengstoffe um eine sogenannte Grube aus Uran-235- oder Plutonium-239-Metall. Diese Isotope sind die häufigsten Elemente, die eine Spaltung durchlaufen können. Uran und Plutonium kommen beide auf natürliche Weise in Mineralvorkommen vor, wenn auch in geringen Mengen (weniger als 1% bei Uran und noch weniger bei Plutonium), was bedeutet, dass sie hergestellt werden müssen. Dies ist ein kostspieliger und zeitaufwändiger Prozess und das Haupthindernis für den freieren Bau von Atombomben.

WEITERLESEN: Was ist der Unterschied zwischen einer Wasserstoffbombe und einer Atombombe?

So aktivieren Sie die schnelle Synchronisierung

Bei modernen nuklearen Explosionen bläst die Explosion nach innen und zwingt die Atome in der Grube zusammen. Sobald die kritische Masse erreicht ist, werden Neutronen verwendet, um eine Spaltkettenreaktion zu erzeugen, die wiederum die Atomexplosion erzeugt. Thermonukleare Fusionswaffen nutzen die Energie der Spaltungsexplosion, um Wasserstoffisotope zusammenzudrücken und einen Feuerball zu erzeugen, der sich Temperaturen nähert, die so heiß wie die Sonne sind.