Det globala kärnkraftshotet ökade de senaste månaderna efter påståenden att Nordkorea byggde kärnvapen och president Donald Trumps hot mot landets farliga ledare. De eskalerande spänningarna fick till och med Doomsday Clock att närma sig midnatt.
Trots dess potential att förstöra världen och hota vår existens har kärnenergi dock potential att lösa planetens pressande kraftbehov.
Under de senaste åren har delar av privata företag hoppat in i forskningsvagnen på grund av tekniska framsteg och vår förståelse för saker som superledare. Google samarbetade nyligen med kärnfusionsexperter för att utveckla en algoritm för att lösa komplexa energiproblem, och MIT har nyligen sagt att kärnfusion kan vara på nätet på bara 15 år.
Mer nyligen tror forskare att de kan ha låst upp ett av mysterierna med kärnfusion genom att titta på exploderande stjärnor. Teamet, frånUniversity of Michigan Center for Laser Experimental Astrophysical Research Group, undersökte hur värme spelar en roll i hur material blandas under en supernova - ljuspunkten som skapas när en stjärna når slutet av sitt liv och exploderar. Dessa explosioner skickar ut stora mängder energi, i vissa fall mer än vår egen sol kommer att ge ut under hela sin livstid.
Rollen som värme spelar i sådana fusionsreaktioner i rymden har i stort sett förbises och forskare har försökt att efterlikna sådana reaktioner på jorden för att hjälpa till att genombringa kärnenergi. Genom att blanda olika plasmor med olika element inklusive järn, kolhelium och väte under laboratorieförhållanden har forskarna kunnat fastställa att flöden i energi får värmen att stiga och falla, vilket har en betydande inverkan på hur elementen blandas med plasmas. Detta har inte beaktats på detta sätt i tidigare experiment och kan äntligen vara nyckeln till att göra kärnfusion mer hållbar på jorden. Forskningen publiceras i Naturkommunikation.
Vad är kärnenergi?
Medan kärnkraft har potential att förse människor med nästan obegränsad energi, involverar fysiken bakom kärnenergi interaktioner mellan några av de minsta tänkbara partiklarna. I mitten av varje atom i universum ligger en liten samling protoner och neutroner som kallas en kärna. Antalet protoner och neutroner i kärnan avgör vilket element atomen är, och kärnan utgör majoriteten av atommassan.
Inuti kärnan är protonerna och neutronerna bundna samman av en av de fyra grundläggande krafterna i fysiken som kallas den starka kraften. Som namnet antyder är den starka kraften den starkaste av alla fyra, men den fungerar bara på små avstånd - som de i en kärna. De andra är detgravitation, elektromagnetisk och svag. Den här videon beskriver skillnaderna och hur de påverkar oss:
Atomer är huvudsakligen tomma. Om en atom var lika stor som en fotbollsstadion, skulle kärnan vara ungefär lika stor som en fluga i mitten. Den andra delen av en atom är molnelektronerna som kretsar kring en atoms kärna, men den starka kraften gäller inte elektroner. De är istället bundna av elektromagnetiska krafter, eftersom de har en negativ laddning medan kärnan är positivt laddad.
Generellt sett inbegriper kärnfysik framställning eller brytning av en kärna. Båda är processer genom vilka en liten bit massa går förlorad, och dessa frigör enorma mängder energi.
Varför är kärnkraft så viktigt?
Sedan 1950-talet har fysiker försökt efterlikna processen som driver solen genom att kontrollera fusionen av väteatomer till helium. Nyckeln till att utnyttja denna kraft är att begränsa extremt heta bollar av vätgas som kallas plasma tills mängden energi som kommer ut ur fusionsreaktionerna motsvarar mer än vad som sattes i. Denna punkt är vad energikexperter kallar breakeven och, om det uppnås, skulle det representera ett teknologiskt genombrott och kan ge en obegränsad och riklig källa till koldioxidfri energi.
Du kommer sannolikt att vara medveten om Einsteins mest kända ekvation, E = mc ^ 2. Detta säger att mängden energi som frigörs när en liten bit massa går förlorad är lika med den massa multiplicerad med ljusets hastighet i kvadrat. Ljusets hastighet är ganska stort.
Se relaterade Rysslands flytande kärnkraftverk i Tjernobyl har precis startat Faraday Challenge: regeringen investerar 246 miljoner pund i att göra Storbritannien till ledande inom batteriteknik Kärnbombskartan avslöjar hur sannolikt du är att överleva en kärnattack Vad är Trident? Storbritanniens kärnvapenavskräckande förklarade katastroferna i Tjernobyl och Fukushima: Vad händer med uteslutningszoner när människor lämnar?
Den minsta kärnan i något element består av bara en proton, som finns i väteatomer. Väte, tillsammans med helium, litium och beryllium är de lättaste elementen i universum, vilket innebär att det inte behövs mycket energi för att de ska bildas. Dessa ljuselement bildades i början av universum, när det var ungefär tre minuter gammalt och tillräckligt kallt för att protoner och neutroner skulle kunna bindas ihop. Detta är en anledning till att väteplasmer ses som den bästa källan för utvinning av kärnenergi på jorden.
Efter dessa fyra första element slog universum en vägg. Mer energi behövdes för de kommande 88 elementen i det periodiska systemet för att övervinna protonerna som stöter ut varandra med sina positiva laddningar, och för denna kärnfusion måste det komma till spel.
Så vad är kärnfusion?
Nästan allt runt omkring oss skapades i en stjärna. Stjärnor börjar med väte, som de klämmer ihop för att bilda helium. Denna process fortsätter, frigör energi och värmer upp stjärnan.
Det är denna reaktion, som använder väte som bränsle, som forskare och team som de vidTAE Technologiesförsöker efterlikna för att uppnå kärnfusionskraft. När deuterium- och tritiumkärnor - som finns i väte - smälter samman, bildar de en heliumkärna, en neutron och mycket energi.
när kommer äldre rullar 6 ut
Eftersom kärnfusion kräver enorma mängder energi för att få reaktioner igång, har processen visat sig vara svår att kopiera på jorden. Det tar oerhört tryck och temperaturer på cirka 150 miljoner grader för att få atomer att kombineras i en fusionsreaktor.
När en stjärna på storleken av vår solkärna tar slut på väte (dess bränslekälla) börjar den dö. Den döende stjärnan expanderar till en röd jätte och börjar producera kolatomer genom att smälta heliumatomer. Större stjärnor kan skapa tyngre element, från syre till järn, i en ytterligare serie av kärnförbränning. Allt tyngre än järn skapas i en supernova, den gigantiska explosionen i slutet av en massiv stjärnas liv.
Hur relaterar kärnfusion till kärnklyvning?
Som vi känner det på jorden använder kärnkraften en annan kärnreaktion, kallad fission.
När element börjar expandera, som uran eller plutonium, med fler protoner och neutroner packade inuti kärnan är det möjligt att bryta ner dem i mindre element genom att slå dem med neutroner. Detta resulterar också i en förändring av massan och frigör enorma mängder energi.
Problemet ligger i de så kallade efterprodukterna av reaktionerna. Dessa ämnen är mycket radioaktiva, vilket gör dem otroligt farliga och detta är den viktigaste nackdelen med kärnenergi.
Radioaktivt avfall måste hanteras otroligt noggrant och det bästa sättet vi för närvarande har för att bli av med det är att begrava det djupt under jorden. Men det gör kärnreaktorer farliga platser, och katastrofer där radioaktivt avfall har läckt ut har orsakat allvarliga konsekvenser, såsom katastrofen i Tjernobyl 1986 och Fukushima.
Vilka företag arbetar med kärnfusion?
MED
I samarbete med det privata företaget Commonwealth Fusion Systems utvecklade forskare vid MIT nyligen en ny generation fusionsexperiment och kraftverk med hjälp av superledare med hög temperatur. Även om det ännu inte ska förverkligas, syftar partnerskapet till att bygga en kompakt enhet som heter SPARC.
När de superledande elektromagneterna för SPARC har utvecklats och förväntas ske inom de närmaste tre åren kommer SPARC att använda dem för att generera 100 miljoner watt, eller 100 megawatt (MW), av fusionseffekt. Även om det inte kommer att förvandla den värmen till elektricitet, kommer den att producera så mycket kraft som används av en liten stad - mer än dubbelt så mycket som brukade värma plasma, vilket i slutändan skapar en positiv nettoenergi från fusion för första gången. Om det lyckas kan detta bidra till att skapa en fullskalig prototyp av ett fusionskraftverk och sätta världen på vägen mot kärnfusion på bara 15 år.
Denna forskning följer på det arbete som görs av Google ochTAE Technologies, som kallar sig världens största privata fusionsföretag, och dess jättejoniserade plasmamaskin C2-U. Google byggde en algoritm utformad för att påskynda experiment inom plasmafysik och Tri Alpha Energys yttersta mål, på samma sätt som CFS, är att bygga det första fusionsbaserade kommersiella kraftverket. Ju snabbare det kan slutföra experiment, desto snabbare och billigare kan det uppnå detta mål och flytta världen mot en mer hållbar, ren energikälla.
LÄS NÄSTA: Överleva en kärnattack
Ökad forskning inom den privata sektorn om kärnfusion speglar det stora priset som står på spel - ett rikligt, miljöansvarigt och säkert nytt sätt att generera el, professor Ian Chapman, VD för UK Atomic Energy Authority sa .
För att genomföra experiment av detta slag måste plasma - ultra heta bollar av gas - begränsas under långa perioder.TAE Technologiesbegränsar dessa plasma med en metod som kallas fältomvänd konfiguration vilket förutspås bli stabilare när energin ökar, i motsats till andra metoder där plasma blir svårare att kontrollera när du värmer upp dem.
TAE Technologies 'C-2U driver dessa experiment till gränsen för hur mycket elektrisk kraft som kan användas för att generera och begränsa plasman i ett så litet utrymme under så kort tid. Optimering av inställningarna (maskinen har mer än 1 000 knappar) och hantering av plasmas beteende är ett komplext problem och det är här Googles optometristalgoritm kommer in.
Som Googles programvaruingenjör Ted Baltz förklarar , C-2U-maskinen kör ett plasmaskott var åttonde minut och varje körning innebär att man skapar två roterande plasmablodar i C-2Us vakuum. Dessa klumpar slås ihop med mer än 600 000 mil i timmen för att skapa en större, varmare, snurrande plasmakula.
LÄS NÄSTA: Vad är en algoritm ?
Plaskulan träffas sedan kontinuerligt med partikelstrålar gjorda av neutrala väteatomer för att hålla den snurrande. Magnetfält håller tag i den snurrande bollen så länge som 10 millisekunder. Googles algoritm tar alla parametrar från antalet inställningar till vakuumkvaliteten och elektronernas stabilitet för att ge de mänskliga fysikerna lösningar.
Hur fungerar kärnbomber?
USA var det första landet som utvecklade kärnvapen, följt av Ryssland 1949. Från och med 2016 beräknas USA ha cirka 7 000 kärnvapen, inklusive pensionerade, lagrade och utplacerade vapen. Ryssland sägs ha cirka 7 300 stridsspetsar, Frankrike har cirka 300 och Storbritannien har 215. Nordkorea, sett som ett av de viktigaste kärnkraftshoten i modern tid, har ett okänt antal enheter, även om uppskattningar sätter antalet till cirka 10 .
Alla kärnvapen använder fission för att generera sina förödande explosioner. Tidiga vapen, inklusive den lilla pojken som släpptes på Hiroshima under andra världskriget, skapade den kritiska massa som behövdes för att starta en fissionskedjereaktion avavfyra en ihålig uran-235-cylinder mot ett mål tillverkat av samma material.
LÄS MER: Vad är en vätgasbomb?
Denna teknik har utvecklats under de senaste åren, och i dagens vapen beror den kritiska massan på materialets densitet. Dessa vapen detonerar kemiska sprängämnen runt en så kallad grop av uran-235 eller plutonium-239 metall. Dessa isotoper är de vanligaste elementen som kan gå igenom fission. Uran och plutonium finns naturligt i mineralfyndigheter, om än i små mängder (mindre än 1% för uran och ännu mindre för plutonium), vilket innebär att de måste tillverkas. Detta är en kostsam och tidskrävande process och är det största hindret för att bygga kärnbomber mer fritt.
LÄS NÄSTA: Vad är skillnaden mellan en vätgasbomb och en atombomb?
hur man avbryter starz-prenumerationen på roku
I moderna kärnkraftsexplosioner blåser sprängningen inåt och tvingar atomerna i gropen tillsammans. När kritisk massa har uppnåtts används neutroner för att skapa en klyvningskedjereaktion som i sin tur skapar atomexplosionen. Termonukleära fusionsvapen använder energin från klyvningsexplosionen för att tvinga väteisotoper tillsammans och skapa en eldklot som närmar sig temperaturer lika heta som solen.
