La minaccia nucleare globale è aumentata negli ultimi mesi a seguito delle affermazioni che la Corea del Nord stava costruendo armi nucleari e della minaccia del presidente Donald Trump contro il pericoloso leader del paese. Le crescenti tensioni hanno persino causato l'avvicinamento dell'orologio del giorno del giudizio a mezzanotte.
Tuttavia, nonostante il suo potenziale per distruggere il mondo e minacciare la nostra stessa esistenza, l'energia nucleare ha anche il potenziale per risolvere i pressanti bisogni energetici del pianeta.
Negli ultimi anni, fasce di società private sono entrate nel carro della ricerca, grazie ai progressi della tecnologia e alla nostra comprensione di cose come i superconduttori. Google ha recentemente collaborato con esperti di fusione nucleare per sviluppare un algoritmo per risolvere problemi energetici complessi e il MIT ha recentemente affermato che la fusione nucleare potrebbe essere sulla rete in soli 15 anni.
Più recentemente, gli scienziati ritengono di aver svelato uno dei misteri della fusione nucleare guardando le stelle che esplodono. La squadra, dalIl gruppo del Center for Laser Experimental Astrophysical Research dell'Università del Michigan, ha esaminato il ruolo del calore nel modo in cui i materiali si mescolano durante una supernovae, il punto di luce creato quando una stella raggiunge la fine della sua vita ed esplode. Queste esplosioni emettono enormi quantità di energia, in alcuni casi più di quella che il nostro sole emetterà nel corso della sua intera vita.
Il ruolo svolto dal calore in tali reazioni di fusione nello spazio è stato in gran parte trascurato e gli scienziati hanno tentato di imitare tali reazioni sulla Terra per aiutare a guidare le scoperte energetiche nucleari. Mescolando diversi plasmi con vari elementi tra cui ferro, carbonio, elio e idrogeno in condizioni di laboratorio, i ricercatori sono stati in grado di stabilire che i flussi di energia fanno aumentare e diminuire il calore, il che ha un impatto significativo sul modo in cui gli elementi si mescolano con il plasmi. Questo non è stato considerato in questo modo, in esperimenti precedenti, e potrebbe finalmente contenere la chiave per rendere la fusione nucleare più sostenibile sulla Terra. La ricerca è pubblicata in Nature Communications.
Cos'è l'energia nucleare?
Mentre l'energia nucleare ha il potenziale per fornire agli esseri umani energia quasi illimitata, la fisica dietro l'energia nucleare coinvolge le interazioni tra alcune delle particelle più piccole immaginabili. Al centro di ogni atomo dell'universo si trova un minuscolo insieme di protoni e neutroni chiamato nucleo. Il numero di protoni e neutroni nel nucleo determina quale elemento sia l'atomo e il nucleo costituisce la maggior parte della massa di quell'atomo.
All'interno del nucleo, i protoni e i neutroni sono legati insieme da una delle quattro forze fondamentali in fisica chiamate forza forte. Come suggerisce il nome, la forza forte è la più forte di tutte e quattro, ma funziona solo a piccole distanze, come quelle all'interno di un nucleo. Gli altri lo sonogravitazionale, elettromagnetico e debole. Questo video descrive le differenze e il modo in cui influiscono su di noi:
Gli atomi sono principalmente spazi vuoti. Se un atomo avesse le dimensioni di uno stadio di calcio, il nucleo avrebbe all'incirca le dimensioni di una mosca al centro. L'altra parte di un atomo sono gli elettroni della nuvola che orbitano attorno al nucleo di un atomo, ma la forza forte non si applica agli elettroni. Sono invece vincolati da forze elettromagnetiche, in quanto hanno una carica negativa mentre il nucleo è caricato positivamente.
In generale, la fisica nucleare implica la creazione o la rottura di un nucleo. Entrambi sono processi attraverso i quali si perde un po 'di massa e questi rilasciano enormi quantità di energia.
Perché l'energia nucleare è così importante?
Dagli anni '50, i fisici hanno tentato di imitare il processo che alimenta il Sole controllando la fusione degli atomi di idrogeno in elio. La chiave per sfruttare questo potere è confinare le sfere ultra-calde di idrogeno gassoso chiamate plasma fino a quando la quantità di energia che esce dalle reazioni di fusione equivale a più di quella che è stata immessa. Questo punto è ciò che gli esperti di energia chiamano pareggio e, se può essere raggiunto, rappresenterebbe una svolta tecnologica e potrebbe fornire una fonte illimitata e abbondante di energia a zero emissioni di carbonio.
Probabilmente conoscerai l'equazione più famosa di Einstein, E = mc ^ 2. Questo afferma che la quantità di energia rilasciata quando si perde un po 'di massa è uguale a quella massa moltiplicata per la velocità della luce al quadrato. La velocità della luce è un numero piuttosto enorme.
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Il nucleo più piccolo di qualsiasi elemento è costituito da un solo protone, che si trova negli atomi di idrogeno. L'idrogeno, insieme all'elio, al litio e al berillio sono gli elementi più leggeri dell'universo, il che significa che non è necessaria molta energia per formarsi. Questi elementi leggeri si sono formati proprio all'inizio dell'universo, quando aveva circa tre minuti ed era abbastanza freddo da consentire a protoni e neutroni di legarsi insieme. Questo è uno dei motivi per cui i plasmi di idrogeno sono visti come la migliore fonte di estrazione di energia nucleare sulla Terra.
Dopo questi primi quattro elementi, l'universo ha colpito un muro. Era necessaria più energia per i successivi 88 elementi nella tavola periodica, al fine di superare i protoni che si respingono a vicenda con le loro cariche positive, e per questa fusione nucleare deve entrare in gioco.
Allora cos'è la fusione nucleare?
Quasi tutto ciò che ci circonda è stato creato all'interno di una stella. Le stelle iniziano con l'idrogeno, che schiacciano insieme per formare l'elio. Questo processo continua, rilasciando energia e riscaldando la stella.
È questa reazione, che utilizza l'idrogeno come combustibile, a cui scienziati e team piaccionoTAE Technologiesstanno cercando di imitare per ottenere energia da fusione nucleare. Quando i nuclei di deuterio e trizio, che possono essere trovati nell'idrogeno, si fondono, formano un nucleo di elio, un neutrone e molta energia.
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Poiché la fusione nucleare richiede enormi quantità di energia per avviare le reazioni, il processo si è dimostrato difficile da copiare sulla Terra. Occorrono immense pressioni e temperature di circa 150 milioni di gradi per far combinare gli atomi in un reattore a fusione.
Quando una stella delle dimensioni del nucleo del nostro sole esaurisce l'idrogeno (la sua fonte di combustibile) inizia a morire. La stella morente si espande in una gigante rossa e inizia a produrre atomi di carbonio fondendo atomi di elio. Le stelle più grandi possono creare elementi più pesanti, dall'ossigeno al ferro, in un'ulteriore serie di combustione nucleare. Qualunque cosa più pesante del ferro viene creata in una supernova, la gigantesca esplosione alla fine della vita di una stella enorme.
In che modo la fusione nucleare si collega alla fissione nucleare?
L'energia nucleare, come la conosciamo sulla Terra, utilizza una reazione nucleare diversa, chiamata fissione.
Quando gli elementi iniziano ad espandersi, come l'uranio o il plutonio, con più protoni e neutroni imballati all'interno del nucleo, è possibile scomporli in elementi più piccoli colpendoli con i neutroni. Ciò si traduce anche in un cambiamento di massa, rilasciando enormi quantità di energia.
Il problema sta nei cosiddetti post-prodotti delle reazioni. Queste sostanze sono altamente radioattive, il che le rende incredibilmente pericolose e questo è lo svantaggio più significativo dell'energia nucleare.
I rifiuti radioattivi devono essere gestiti in modo incredibilmente attento e il modo migliore che abbiamo attualmente per sbarazzarsene è seppellirli in profondità nel sottosuolo. Ma rende i reattori nucleari luoghi pericolosi e le catastrofi in cui sono trapelate scorie radioattive hanno causato conseguenze disastrose, come il disastro di Chernobyl nel 1986 e Fukushima.
Quali aziende stanno lavorando alla fusione nucleare?
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Lavorando con la società privata Commonwealth Fusion Systems, i ricercatori del MIT hanno recentemente ideato una nuova generazione di esperimenti di fusione e centrali elettriche utilizzando superconduttori ad alta temperatura. Sebbene ancora da realizzare, la partnership mira a costruire un dispositivo compatto chiamato SPARC.
Una volta che gli elettromagneti superconduttori per SPARC sono stati sviluppati, dovrebbero essere entro i prossimi tre anni, SPARC li utilizzerà per generare 100 milioni di watt, o 100 megawatt (MW), di potenza di fusione. Sebbene non trasformerà quel calore in elettricità, produrrà tanta energia quanta ne viene utilizzata da una piccola città, più del doppio di quella utilizzata per riscaldare il plasma, creando alla fine un'energia netta positiva dalla fusione per la prima volta. In caso di successo, ciò potrebbe aiutare a creare un prototipo su vasta scala di una centrale elettrica a fusione e mettere il mondo sulla strada della fusione nucleare in soli 15 anni.
Questa ricerca fa seguito al lavoro svolto da Google eTAE Technologies, che si definisce la più grande azienda di fusione privata del mondo e la sua gigantesca macchina al plasma ionizzato C2-U. Google ha creato un algoritmo progettato per accelerare gli esperimenti nella fisica del plasma e l'obiettivo finale di Tri Alpha Energy, analogamente a CFS, è costruire la prima centrale elettrica commerciale basata sulla fusione. Più velocemente può completare gli esperimenti, più velocemente e più economico può raggiungere questo obiettivo e spostare il mondo verso una fonte di energia più sostenibile e pulita.
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L'aumento della ricerca nel settore privato sulla fusione nucleare riflette l'enorme premio in gioco: un nuovo modo abbondante, rispettoso dell'ambiente e sicuro di generare elettricità, professor Ian Chapman, CEO dell'Autorità britannica per l'energia atomica disse .
Per condurre esperimenti di questo tipo, il plasma - sfere di gas ultra calde - deve essere confinato per lunghi periodi di tempo.TAE Technologiesconfina questi plasmi utilizzando un metodo chiamato configurazione invertita sul campo che si prevede diventi più stabile con l'aumentare dell'energia, a differenza di altri metodi in cui i plasmi diventano più difficili da controllare man mano che li riscaldi.
TAE Technologies 'C-2U spinge questi esperimenti al limite della quantità di energia elettrica che può essere applicata per generare e confinare il plasma in uno spazio così piccolo in un tempo così breve. Ottimizzare le sue impostazioni (la macchina ha più di 1.000 pulsanti) e gestire il comportamento del plasma è un problema complesso ed è qui che entra in gioco l'algoritmo optometrista di Google.
In qualità di ingegnere software senior di Google, Ted Baltz spiega , la macchina C-2U esegue un colpo di plasma ogni otto minuti e ogni esecuzione comporta la creazione di due bolle rotanti di plasma all'interno del vuoto di C-2U. Questi blob vengono frantumati insieme a più di 600.000 miglia all'ora per creare una palla di plasma più grande, più calda e rotante.
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La sfera di plasma viene quindi colpita continuamente con fasci di particelle costituiti da atomi di idrogeno neutri per mantenerla in rotazione. I campi magnetici trattengono la pallina rotante fino a 10 millisecondi. Di Google algoritmo prende tutti i parametri dal numero di impostazioni alla qualità del vuoto e alla stabilità degli elettroni per presentare le soluzioni ai fisici umani.
Come funzionano le bombe nucleari?
Gli Stati Uniti sono stati il primo paese a sviluppare armi nucleari, seguiti dalla Russia nel 1949. A partire dal 2016, si stima che gli Stati Uniti abbiano circa 7.000 testate nucleari, comprese armi ritirate, immagazzinate e dispiegate. Si dice che la Russia abbia circa 7.300 testate, la Francia ne ha circa 300 e il Regno Unito 215. La Corea del Nord, vista come una delle minacce nucleari più significative dei tempi moderni, ha un numero imprecisato di dispositivi, anche se le stime indicano il numero intorno a 10 .
Tutte le armi nucleari usano la fissione per generare le loro devastanti esplosioni. Le prime armi, tra cui il Little Boy sganciato su Hiroshima durante la seconda guerra mondiale, hanno creato la massa critica necessaria per avviare una reazione a catena di fissione da parte disparare un cilindro cavo di uranio-235 contro un bersaglio realizzato con lo stesso materiale.
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Questa tecnica è avanzata negli ultimi anni e, nelle armi moderne, la massa critica dipende dalla densità del materiale. Queste armi fanno esplodere esplosivi chimici attorno a un cosiddetto pozzo di metallo uranio-235 o plutonio-239. Questi isotopi sono gli elementi più comuni in grado di attraversare la fissione. L'uranio e il plutonio si trovano entrambi naturalmente nei depositi minerali, anche se in piccole quantità (meno dell'1% nel caso dell'uranio e ancora meno per il plutonio), il che significa che devono essere fabbricati. Si tratta di un processo costoso e dispendioso in termini di tempo ed è il principale ostacolo alla costruzione di bombe nucleari più liberamente.
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Nelle moderne esplosioni nucleari, l'esplosione soffia verso l'interno, costringendo gli atomi nella fossa a riunirsi. Una volta raggiunta la massa critica, i neutroni vengono utilizzati per creare una reazione a catena di fissione che, a sua volta, crea l'esplosione atomica. Le armi a fusione termonucleare usano l'energia dell'esplosione di fissione per forzare gli isotopi dell'idrogeno insieme creando una palla di fuoco che si avvicina a temperature calde come il sole.
