الطاقة النووية: قد تكون النجوم المتفجرة هي المفتاح لفتح الاندماج النووي على الأرض

تصاعد التهديد النووي العالمي في الأشهر الأخيرة بعد مزاعم بأن كوريا الشمالية تصنع أسلحة نووية وتهديد الرئيس دونالد ترامب ضد زعيم البلاد الخطير. حتى أن التوترات المتصاعدة تسببت في اقتراب ساعة يوم القيامة من منتصف الليل.

ومع ذلك ، على الرغم من قدرتها على تدمير العالم ، وتهديد وجودنا ذاته ، فإن الطاقة النووية لديها أيضًا القدرة على تلبية احتياجات الطاقة الملحة للكوكب.

في السنوات الأخيرة ، قفز عدد كبير من الشركات الخاصة إلى عربة البحث ، بسبب التقدم في التكنولوجيا وفهمنا لأشياء مثل الموصلات الفائقة. تعاونت Google مؤخرًا مع خبراء الاندماج النووي لتطوير خوارزمية لحل مشاكل الطاقة المعقدة ، وقد قال معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرًا إن الاندماج النووي يمكن أن يكون على الشبكة في غضون 15 عامًا فقط.

في الآونة الأخيرة ، يعتقد العلماء أنهم ربما يكونون قد فتحوا أحد ألغاز الاندماج النووي من خلال النظر إلى النجوم المتفجرة. الفريق منبحث فريق مركز أبحاث الفيزياء الفلكية التجريبية بالليزر التابع لجامعة ميتشيغان ، في كيفية لعب الحرارة دورًا في طريقة اختلاط المواد خلال المستعرات الأعظمية - نقطة الضوء التي تنشأ عندما يصل النجم إلى نهاية عمره وينفجر. ترسل هذه الانفجارات كميات هائلة من الطاقة ، في بعض الحالات أكثر مما ستعطيه شمسنا على مدار حياتها بأكملها.

تم تجاهل الدور الذي تلعبه الحرارة في تفاعلات الاندماج في الفضاء إلى حد كبير ، وكان العلماء يحاولون تقليد مثل هذه التفاعلات على الأرض للمساعدة في تحقيق اختراقات الطاقة النووية. من خلال مزج البلازما المختلفة مع عناصر مختلفة بما في ذلك الحديد والهيليوم الكربوني والهيدروجين في ظروف المختبر ، تمكن الباحثون من إثبات أن التدفقات في الطاقة تتسبب في ارتفاع وانخفاض الحرارة ، مما يؤثر بشكل كبير على كيفية اختلاط العناصر مع البلازما. لم يتم النظر في هذا بهذه الطريقة ، في التجارب السابقة ، ويمكن أن يحمل في النهاية المفتاح لجعل الاندماج النووي أكثر استدامة على الأرض. تم نشر البحث في اتصالات الطبيعة.

ما هي الطاقة النووية؟

في حين أن الطاقة النووية لديها القدرة على تزويد البشر بطاقة غير محدودة تقريبًا ، فإن الفيزياء الكامنة وراء الطاقة النووية تتضمن تفاعلات بين بعض أصغر الجسيمات التي يمكن تخيلها. في مركز كل ذرة في الكون توجد مجموعة صغيرة من البروتونات والنيوترونات تسمى النواة. يحدد عدد البروتونات والنيوترونات في النواة العنصر الذي تكون الذرة ، وتشكل النواة غالبية كتلة الذرة.

داخل النواة ، ترتبط البروتونات والنيوترونات معًا بواحدة من القوى الأساسية الأربعة في الفيزياء والتي تسمى القوة القوية. كما يوحي اسمها ، فإن القوة القوية هي الأقوى من بين الأربعة ، لكنها تعمل فقط في مسافات صغيرة - مثل تلك الموجودة داخل النواة. الآخرونالجاذبية والكهرومغناطيسية والضعيفة. يصف هذا الفيديو الاختلافات وكيف تؤثر علينا:

الذرات هي في الأساس مساحة فارغة. إذا كانت الذرة بحجم ملعب كرة قدم ، فإن النواة ستكون بحجم الذبابة في وسطها تقريبًا. الجزء الآخر من الذرة هو الإلكترونات السحابية التي تدور حول نواة الذرة ، لكن القوة الشديدة لا تنطبق على الإلكترونات. بدلاً من ذلك ، يتم ربطهم بالقوى الكهرومغناطيسية ، حيث أن لديهم شحنة سالبة بينما تكون النواة مشحونة إيجابياً.

بشكل عام ، تتضمن الفيزياء النووية تكوين أو كسر نواة. كلاهما عمليتان يتم من خلالها فقدان قدر ضئيل من الكتلة ، وهذه العمليات تطلق كميات هائلة من الطاقة.

لماذا الطاقة النووية مهمة جدا؟

منذ الخمسينيات من القرن الماضي ، حاول الفيزيائيون محاكاة العملية التي تمد الشمس بالطاقة من خلال التحكم في اندماج ذرات الهيدروجين في الهيليوم. المفتاح لتسخير هذه القوة هو حصر كرات شديدة السخونة من غاز الهيدروجين تسمى البلازما حتى تعادل كمية الطاقة الخارجة من تفاعلات الاندماج أكثر مما تم وضعه. هذه النقطة هي ما يسميه خبراء الطاقة نقطة التعادل ، وإذا كان ذلك ممكنًا لتحقيق ذلك ، سيمثل اختراقًا تقنيًا ويمكن أن يوفر مصدرًا غير محدود ووفير للطاقة الخالية من الكربون.

من المحتمل أن تكون على دراية بمعادلة أينشتاين الأكثر شهرة ، E = mc ^ 2. ينص هذا على أن كمية الطاقة المنبعثة عند فقد قدر ضئيل من الكتلة تساوي تلك الكتلة مضروبة في مربع سرعة الضوء. سرعة الضوء كبيرة جدًا.

انظر ذات الصلة محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية العائمة في روسيا قد أبحرت للتو تحدي فاراداي: الحكومة تستثمر 246 مليون جنيه إسترليني لجعل المملكة المتحدة رائدة في تكنولوجيا البطاريات تكشف خريطة القنبلة النووية مدى احتمالية النجاة من هجوم نووي ما هو ترايدنت؟ أوضح الرادع النووي للمملكة المتحدة كارثتي تشيرنوبيل وفوكوشيما: ماذا يحدث لمناطق الاستبعاد النووي عندما يغادر البشر؟

أصغر نواة لأي عنصر تتكون من بروتون واحد فقط ، يوجد في ذرات الهيدروجين. يعتبر الهيدروجين ، إلى جانب الهيليوم والليثيوم والبريليوم ، أخف العناصر في الكون مما يعني عدم الحاجة إلى الكثير من الطاقة لتكوينها. تشكلت هذه العناصر الخفيفة في بداية الكون ، عندما كان عمره حوالي ثلاث دقائق وباردًا بما يكفي لاتحاد البروتونات والنيوترونات معًا. هذا هو أحد الأسباب التي تجعل بلازما الهيدروجين أفضل مصدر لاستخراج الطاقة النووية على الأرض.

بعد هذه العناصر الأربعة الأولى ، اصطدم الكون بجدار. كانت هناك حاجة إلى مزيد من الطاقة للعناصر الثمانية والثمانين التالية في الجدول الدوري ، من أجل التغلب على البروتونات التي تتنافر مع بعضها البعض بشحناتها الإيجابية ، ويجب أن يلعب هذا الاندماج النووي دوره.

إذن ما هو الاندماج النووي؟

تقريبا كل شيء من حولنا تم إنشاؤه داخل نجم. تبدأ النجوم بالهيدروجين الذي تضغطه معًا لتكوين الهيليوم. تستمر هذه العملية ، وتطلق الطاقة وتسخن النجم.

هذا التفاعل ، باستخدام الهيدروجين كوقود ، هو ما يفعله العلماء والفرق مثل أولئك الموجودينتقنيات TAEيحاولون تقليد تحقيق قوة الاندماج النووي. عندما تندمج نوى الديوتيريوم والتريتيوم - والتي يمكن العثور عليها في الهيدروجين - فإنها تشكل نواة الهيليوم والنيوترون والكثير من الطاقة.

كيفية تغيير موقع النسخ الاحتياطى itunes windows 10

نظرًا لأن الاندماج النووي يتطلب كميات هائلة من الطاقة لبدء التفاعلات ، فقد ثبت صعوبة نسخ العملية على الأرض. يتطلب الأمر ضغطًا هائلاً ودرجات حرارة تصل إلى حوالي 150 مليون درجة لتتحد الذرات في مفاعل الاندماج.

عندما ينفد الهيدروجين (مصدر الوقود) من نجم بحجم نواة شمسنا ، فإنه يبدأ في الموت. يتوسع النجم المحتضر إلى عملاق أحمر ويبدأ في إنتاج ذرات الكربون عن طريق دمج ذرات الهيليوم. يمكن للنجوم الكبيرة أن تخلق عناصر أثقل ، من الأكسجين إلى الحديد ، في سلسلة أخرى من الاحتراق النووي. يتم إنشاء أي شيء أثقل من الحديد في مستعر أعظم ، الانفجار العملاق في نهاية حياة نجم هائل.

ما علاقة الاندماج النووي بالانشطار النووي؟

تستخدم الطاقة النووية ، كما نعرفها على الأرض ، تفاعلًا نوويًا مختلفًا يسمى الانشطار.

عندما تبدأ العناصر في التوسع ، مثل اليورانيوم أو البلوتونيوم ، مع وجود المزيد من البروتونات والنيوترونات داخل النواة ، فمن الممكن تقسيمها مرة أخرى إلى عناصر أصغر عن طريق ضربها بالنيوترونات. ينتج عن هذا أيضًا تغيير في الكتلة ، وإطلاق كميات هائلة من الطاقة.

تكمن المشكلة في ما يسمى بالنواتج اللاحقة للتفاعلات. هذه المواد عالية النشاط الإشعاعي ، مما يجعلها خطيرة بشكل لا يصدق وهذا هو الجانب السلبي الأكثر أهمية للطاقة النووية.

يجب التعامل مع النفايات المشعة بعناية فائقة وأفضل طريقة لدينا حاليًا للتخلص منها هي دفنها في أعماق الأرض. لكنها تجعل المفاعلات النووية أماكن خطرة ، والكوارث التي تسربت فيها النفايات المشعة تسببت في عواقب وخيمة ، مثل كارثة تشيرنوبيل في عام 1986 وفوكوشيما.

ما هي الشركات التي تعمل على الاندماج النووي؟

مع

من خلال العمل مع شركة كومنولث فيوجن سيستمز الخاصة ، ابتكر باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مؤخرًا جيلًا جديدًا من تجارب الاندماج ومحطات الطاقة باستخدام موصلات فائقة عالية الحرارة. على الرغم من أن الشراكة لم تتحقق بعد ، إلا أنها تهدف إلى بناء جهاز مضغوط يسمى SPARC.

مرة واحدة المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل ل SPARC تم تطويرها ، ومن المتوقع أن يتم ذلك في غضون السنوات الثلاث المقبلة ، وستستخدمها SPARC لتوليد 100 مليون واط ، أو 100 ميغاواط (MW) ، من طاقة الاندماج. على الرغم من أنه لن يحول هذه الحرارة إلى كهرباء ، إلا أنه سينتج قدرًا كبيرًا من الطاقة التي تستخدمها مدينة صغيرة - أكثر من ضعف تلك المستخدمة لتسخين البلازما ، مما يؤدي في النهاية إلى إنشاء صافي طاقة موجبة من الاندماج لأول مرة. إذا نجح ذلك ، فقد يساعد ذلك في إنشاء نموذج أولي واسع النطاق لمحطة طاقة اندماجية ووضع العالم على طريق الاندماج النووي في غضون 15 عامًا فقط.

جوجل

يتبع هذا البحث العمل الذي تقوم به Google وتقنيات TAE، التي تطلق على نفسها اسم أكبر شركة اندماج خاصة في العالم ، وآلة البلازما المؤينة العملاقة C2-U. أنشأت Google خوارزمية مصممة لتسريع التجارب في فيزياء البلازما والهدف النهائي لشركة Tri Alpha Energy ، على غرار CFS ، هو بناء أول محطة تجارية لتوليد الطاقة قائمة على الاندماج. فكلما كانت أسرع في إكمال التجارب ، كان بإمكانها تحقيق هذا الهدف بشكل أسرع وأرخص ودفع العالم نحو مصدر طاقة أكثر استدامة ونظيفة.

اقرأ التالي: النجاة من هجوم نووي

تعكس زيادة أبحاث القطاع الخاص في الاندماج النووي الجائزة الضخمة المطروحة - وهي طريقة جديدة وفيرة ومسؤولة بيئيًا وآمنة لتوليد الكهرباء ، البروفيسور إيان تشابمان ، الرئيس التنفيذي لهيئة الطاقة الذرية في المملكة المتحدة قال .

من أجل إجراء تجارب من هذا النوع ، يجب حصر البلازما - كرات الغاز شديدة السخونة - لفترات طويلة من الزمن.تقنيات TAEيحصر هذه البلازما باستخدام طريقة تسمى التكوين عكس المجال التي من المتوقع أن تصبح أكثر استقرارًا مع زيادة الطاقة ، على عكس الطرق الأخرى حيث يصعب التحكم في البلازما أثناء تسخينها.

TAE Technologies 'يدفع C-2U هذه التجارب إلى الحد الأقصى لمقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن تطبيقها لتوليد وحصر البلازما في مثل هذه المساحة الصغيرة خلال مثل هذا الوقت القصير. يعد تحسين إعداداته (يحتوي الجهاز على أكثر من 1000 زر) وإدارة سلوك البلازما مشكلة معقدة وهنا يأتي دور خوارزمية Optometrist من Google.

بصفته كبير مهندسي البرامج في Google ، تيد بالتز يشرح ، تقوم آلة C-2U بتشغيل حقنة بلازما كل ثماني دقائق ، وكل عملية تشغيل تتضمن تكوين نقطتين دوارتين من البلازما داخل فراغ C-2U. يتم تحطيم هذه النقط معًا بسرعة تزيد عن 600000 ميل في الساعة لإنشاء كرة بلازما أكبر حجمًا وأكثر سخونة.

اقرأ التالي: ما هي الخوارزمية ؟

ثم يتم ضرب كرة البلازما بشكل مستمر بحزم جسيمية مصنوعة من ذرات هيدروجين محايدة لإبقائها تدور. تحتفظ الحقول المغناطيسية بالكرة الدوارة لمدة تصل إلى 10 مللي ثانية. جوجل الخوارزمية يأخذ جميع المعلمات من عدد الإعدادات إلى جودة الفراغ واستقرار الإلكترونات لتقديم الحلول للفيزيائيين البشريين.

كيف تعمل القنابل النووية؟

كانت الولايات المتحدة أول دولة تطور أسلحة نووية ، تليها روسيا في عام 1949. اعتبارًا من عام 2016 ، تشير التقديرات إلى أن الولايات المتحدة لديها حوالي 7000 رأس نووي ، بما في ذلك الأسلحة المتقاعد والمخزنة والمنشورة. يقال إن روسيا لديها حوالي 7300 رأس حربي ، وفرنسا لديها حوالي 300 ، والمملكة المتحدة لديها 215. كوريا الشمالية ، التي يُنظر إليها على أنها واحدة من أهم التهديدات النووية في العصر الحديث ، لديها عدد غير معروف من الأجهزة ، على الرغم من التقديرات تشير إلى أن العدد يقارب 10 .

تستخدم جميع الأسلحة النووية الانشطار لتوليد انفجاراتها المدمرة. خلقت الأسلحة المبكرة ، بما في ذلك الطفل الصغير الذي تم إسقاطه على هيروشيما خلال الحرب العالمية الثانية ، الكتلة الحرجة اللازمة لبدء تفاعل تسلسلي انشطاري بواسطةإطلاق أسطوانة يورانيوم -235 مجوفة على هدف مصنوع من نفس المادة.

اقرأ أكثر: ما هي القنبلة الهيدروجينية؟

لقد تطورت هذه التقنية في السنوات الأخيرة ، وتعتمد الكتلة الحرجة في الأسلحة الحديثة على كثافة المادة. تقوم هذه الأسلحة بتفجير متفجرات كيميائية حول ما يسمى بحفرة اليورانيوم 235 أو معدن البلوتونيوم 239. هذه النظائر هي العناصر الأكثر شيوعًا القادرة على المرور من خلال الانشطار. يوجد اليورانيوم والبلوتونيوم بشكل طبيعي في الرواسب المعدنية ، وإن كان بكميات ضئيلة (أقل من 1٪ في حالة اليورانيوم وحتى أقل من البلوتونيوم) مما يعني أنهما بحاجة إلى التصنيع. هذه عملية مكلفة وتستغرق وقتا طويلا وهي العائق الرئيسي لبناء القنابل النووية بحرية أكبر.

اقرأ التالي: ما الفرق بين القنبلة الهيدروجينية والقنبلة الذرية؟

أين ذهبت قائمتي على netflix

في التفجيرات النووية الحديثة ، ينفجر الانفجار إلى الداخل ، ويجبر الذرات الموجودة في الحفرة معًا. بمجرد الحصول على الكتلة الحرجة ، يتم استخدام النيوترونات لإنشاء تفاعل تسلسلي انشطاري يؤدي بدوره إلى حدوث انفجار ذري. تستخدم أسلحة الاندماج النووي الحراري الطاقة الناتجة عن الانفجار الانشطاري لإجبار نظائر الهيدروجين معًا على تكوين كرة نارية تقترب من درجات حرارة تصل إلى درجة حرارة الشمس.