La amenaza nuclear global se intensificó en los últimos meses tras las afirmaciones de que Corea del Norte estaba construyendo armas nucleares y la amenaza del presidente Donald Trump contra el peligroso líder del país. Las crecientes tensiones incluso hicieron que el Reloj del Juicio Final se acercara a la medianoche.
Sin embargo, a pesar de su potencial para destruir el mundo y amenazar nuestra propia existencia, la energía nuclear también tiene el potencial de resolver las urgentes necesidades energéticas del planeta.
En los últimos años, franjas de empresas privadas se han subido al tren de la investigación, debido a los avances en la tecnología y a nuestra comprensión de cosas como los superconductores. Google se asoció recientemente con expertos en fusión nuclear para desarrollar un algoritmo para resolver problemas complejos de energía, y el MIT ha dicho recientemente que la fusión nuclear podría estar en la red en solo 15 años.
Más recientemente, los científicos creen que pueden haber descubierto uno de los misterios de la fusión nuclear al observar la explosión de estrellas. El equipo, delEl grupo del Centro de Investigación Astrofísica Experimental Láser de la Universidad de Michigan, analizó cómo el calor juega un papel en la forma en que los materiales se mezclan durante una supernovas, el punto de luz que se crea cuando una estrella llega al final de su vida y explota. Estas explosiones envían grandes cantidades de energía, en algunos casos más de la que emitirá nuestro propio sol a lo largo de toda su vida.
El papel que juega el calor en tales reacciones de fusión en el espacio se ha pasado por alto en gran medida y los científicos han estado intentando imitar tales reacciones en la Tierra para ayudar a impulsar avances en la energía nuclear. Al mezclar diferentes plasmas con varios elementos, incluidos hierro, carbono, helio e hidrógeno en condiciones de laboratorio, los investigadores han podido establecer que los flujos de energía hacen que el calor suba y baje, lo que tiene un impacto significativo en cómo los elementos se mezclan con el plasmas. Esto no se ha considerado de esta manera, en experimentos anteriores, y finalmente podría ser la clave para hacer que la fusión nuclear sea más sostenible en la Tierra. La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza.
¿Qué es la energía nuclear?
Si bien la energía nuclear tiene el potencial de proporcionar a los humanos una energía casi ilimitada, la física detrás de la energía nuclear implica interacciones entre algunas de las partículas más pequeñas imaginables. En el centro de cada átomo del universo se encuentra una pequeña colección de protones y neutrones llamada núcleo. El número de protones y neutrones en el núcleo determina qué elemento es el átomo, y el núcleo constituye la mayor parte de la masa de ese átomo.
Dentro del núcleo, los protones y neutrones están unidos por una de las cuatro fuerzas fundamentales en física llamadas fuerza fuerte. Como sugiere su nombre, la fuerza fuerte es la más fuerte de las cuatro, pero solo funciona en distancias pequeñas, como las que están dentro de un núcleo. Los otros songravitacional, electromagnético y débil. Este video describe las diferencias y cómo nos impactan:
Los átomos son principalmente espacios vacíos. Si un átomo fuera del tamaño de un estadio de fútbol, el núcleo sería aproximadamente del tamaño de una mosca en su centro. La otra parte de un átomo son los electrones de la nube que orbitan el núcleo de un átomo, pero la fuerza fuerte no se aplica a los electrones. En cambio, están unidos por fuerzas electromagnéticas, ya que tienen una carga negativa mientras que el núcleo está cargado positivamente.
En términos generales, la física nuclear implica la formación o ruptura de un núcleo. Ambos son procesos a través de los cuales se pierde una pequeña cantidad de masa y liberan enormes cantidades de energía.
¿Por qué es tan importante la energía nuclear?
Desde la década de 1950, los físicos han intentado imitar el proceso que impulsa al Sol controlando la fusión de los átomos de hidrógeno en helio. La clave para aprovechar este poder es confinar bolas ultra calientes de gas hidrógeno llamadas plasmas hasta que la cantidad de energía que sale de las reacciones de fusión sea igual a más de lo que se introdujo. Este punto es lo que los expertos en energía llaman equilibrio y, si puede Si se lograra, representaría un avance tecnológico y podría proporcionar una fuente ilimitada y abundante de energía sin carbono.
Probablemente conocerá la ecuación más famosa de Einstein, E = mc ^ 2. Esto establece que la cantidad de energía liberada cuando se pierde una pequeña cantidad de masa es igual a esa masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. La velocidad de la luz es un número bastante grande.
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El núcleo más pequeño de cualquier elemento está formado por un solo protón, que se encuentra en los átomos de hidrógeno. El hidrógeno, junto con el helio, el litio y el berilio son los elementos más ligeros del universo, lo que significa que no se necesita mucha energía para que se formen. Estos elementos ligeros se formaron al comienzo del universo, cuando tenía alrededor de tres minutos y era lo suficientemente frío como para que los protones y neutrones se unieran. Esta es una de las razones por las que los plasmas de hidrógeno se consideran la mejor fuente de extracción de energía nuclear en la Tierra.
Después de estos primeros cuatro elementos, el universo chocó contra una pared. Se necesitaba más energía para los siguientes 88 elementos de la tabla periódica, con el fin de vencer a los protones que se repelen entre sí con sus cargas positivas, y para esta fusión nuclear tiene que entrar en juego.
Entonces, ¿qué es la fusión nuclear?
Casi todo lo que nos rodea se creó dentro de una estrella. Las estrellas comienzan con hidrógeno, que aprietan para formar helio. Este proceso continúa, liberando energía y calentando la estrella.
Es esta reacción, que utiliza hidrógeno como combustible, lo que los científicos y equipos como los deTecnologías TAEestán tratando de imitar para lograr la energía de fusión nuclear. Cuando los núcleos de deuterio y tritio, que se pueden encontrar en el hidrógeno, se fusionan, forman un núcleo de helio, un neutrón y mucha energía.
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Debido a que la fusión nuclear requiere grandes cantidades de energía para que se inicien las reacciones, el proceso ha demostrado ser difícil de copiar en la Tierra. Se necesita una inmensa presión y temperaturas de alrededor de 150 millones de grados para que los átomos se combinen en un reactor de fusión.
Cuando una estrella del tamaño del núcleo de nuestro sol se queda sin hidrógeno (su fuente de combustible), comienza a morir. La estrella moribunda se expande hasta convertirse en una gigante roja y comienza a producir átomos de carbono fusionando átomos de helio. Las estrellas más grandes pueden crear elementos más pesados, desde oxígeno hasta hierro, en una serie adicional de quemaduras nucleares. Cualquier cosa más pesada que el hierro se crea en una supernova, la explosión gigante al final de la vida de una estrella masiva.
¿Cómo se relaciona la fusión nuclear con la fisión nuclear?
La energía nuclear, como la conocemos en la Tierra, utiliza una reacción nuclear diferente, llamada fisión.
Cuando los elementos comienzan a expandirse, como el uranio o el plutonio, con más protones y neutrones empaquetados dentro del núcleo, es posible descomponerlos en elementos más pequeños golpeándolos con neutrones. Esto también da como resultado un cambio en la masa, liberando grandes cantidades de energía.
El problema radica en los llamados productos secundarios de las reacciones. Estas sustancias son altamente radiactivas, lo que las hace increíblemente peligrosas y esta es la desventaja más importante de la energía nuclear.
Los residuos radiactivos deben manejarse con mucho cuidado y la mejor forma que tenemos actualmente de deshacernos de ellos es enterrarlos a gran profundidad. Pero convierte a los reactores nucleares en lugares peligrosos, y los desastres en los que se han filtrado desechos radiactivos han causado graves consecuencias, como el desastre de Chernobyl en 1986 y Fukushima.
¿Qué empresas están trabajando en la fusión nuclear?
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Trabajando con la empresa privada Commonwealth Fusion Systems, los investigadores del MIT idearon recientemente una nueva generación de experimentos de fusión y plantas de energía que utilizan superconductores de alta temperatura. Aunque aún no se ha realizado, la asociación tiene como objetivo construir un dispositivo compacto llamado SPARC.
Una vez que los electroimanes superconductores para SPARC se han desarrollado, que se espera que sea dentro de los próximos tres años, SPARC los utilizará para generar 100 millones de vatios, o 100 megavatios (MW), de energía de fusión. Si bien no convertirá ese calor en electricidad, producirá tanta energía como la que usa una ciudad pequeña, más del doble de la que se usa para calentar el plasma, lo que finalmente creará una energía neta positiva a partir de la fusión por primera vez. Si tiene éxito, esto podría ayudar a crear un prototipo a gran escala de una planta de energía de fusión y poner al mundo en el camino hacia la fusión nuclear en solo 15 años.
Esta investigación es una continuación del trabajo realizado por Google yTecnologías TAE, que se autodenomina la empresa privada de fusión más grande del mundo, y su gigante máquina de plasma ionizado C2-U. Google creó un algoritmo diseñado para acelerar los experimentos en la física del plasma y el objetivo final de Tri Alpha Energy, al igual que CFS, es construir la primera planta de energía comercial basada en la fusión. Cuanto más rápido pueda completar los experimentos, más rápido y más barato podrá lograr este objetivo y hacer que el mundo avance hacia una fuente de energía más sostenible y limpia.
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El aumento de la investigación del sector privado sobre la fusión nuclear refleja el enorme premio en juego: una nueva forma abundante, ambientalmente responsable y segura de generar electricidad, profesor Ian Chapman, director ejecutivo de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido. dicho .
Para llevar a cabo experimentos de este tipo, el plasma, bolas de gas ultra calientes, debe estar confinado durante largos períodos de tiempo.Tecnologías TAEconfina estos plasmas usando un método llamado configuración de campo invertido que se predice que se volverá más estable a medida que aumenta la energía, en contraste con otros métodos donde los plasmas se vuelven más difíciles de controlar a medida que los calienta.
TAE Technologies ’C-2U lleva estos experimentos al límite de la cantidad de energía eléctrica que se puede aplicar para generar y confinar el plasma en un espacio tan pequeño en tan poco tiempo. Optimizar su configuración (la máquina tiene más de 1000 botones) y administrar el comportamiento del plasma es un problema complejo y aquí es donde entra en juego el algoritmo de optometrista de Google.
Como ingeniero de software senior de Google, Ted Baltz explica , la máquina C-2U ejecuta una inyección de plasma cada ocho minutos y cada ejecución implica la creación de dos gotas de plasma giratorias dentro del vacío de C-2U. Estas gotas se rompen juntas a más de 600.000 millas por hora para crear una bola de plasma giratoria más grande y caliente.
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Luego, la bola de plasma se golpea continuamente con haces de partículas hechas de átomos de hidrógeno neutros para mantenerla girando. Los campos magnéticos mantienen la bola giratoria durante 10 milisegundos. De Google algoritmo toma todos los parámetros desde el número de ajustes hasta la calidad del vacío y la estabilidad de los electrones para presentar soluciones a los físicos humanos.
¿Cómo funcionan las bombas nucleares?
Estados Unidos fue el primer país en desarrollar armas nucleares, seguido de Rusia en 1949. En 2016, se estima que Estados Unidos tiene alrededor de 7.000 ojivas nucleares, incluidas armas retiradas, almacenadas y desplegadas. Se dice que Rusia tiene alrededor de 7.300 ojivas, Francia tiene alrededor de 300 y el Reino Unido tiene 215. Corea del Norte, considerada una de las amenazas nucleares más importantes de los tiempos modernos, tiene un número desconocido de dispositivos, aunque las estimaciones sitúan el número en alrededor de 10. .
Todas las armas nucleares utilizan la fisión para generar sus devastadoras explosiones. Las primeras armas, incluido el Little Boy lanzado en Hiroshima durante la Segunda Guerra Mundial, crearon la masa crítica necesaria para iniciar una reacción en cadena de fisión aldisparar un cilindro hueco de uranio-235 a un objetivo hecho del mismo material.
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Esta técnica ha avanzado en los últimos años y, en las armas modernas, la masa crítica depende de la densidad del material. Estas armas detonan explosivos químicos alrededor de un llamado pozo de metal uranio-235 o plutonio-239. Estos isótopos son los elementos más comunes capaces de atravesar la fisión. El uranio y el plutonio se encuentran de forma natural en los depósitos minerales, aunque en pequeñas cantidades (menos del 1% en el caso del uranio e incluso menos del plutonio), lo que significa que deben fabricarse. Este es un proceso costoso y que requiere mucho tiempo y es la principal barrera para construir bombas nucleares con mayor libertad.
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En las explosiones nucleares modernas, la explosión sopla hacia adentro, forzando a los átomos en el pozo a unirse. Una vez que se alcanza la masa crítica, los neutrones se utilizan para crear una reacción en cadena de fisión que, a su vez, crea la explosión atómica. Las armas de fusión termonuclear usan la energía de la explosión de fisión para forzar a los isótopos de hidrógeno a unirse creando una bola de fuego que se acerca a temperaturas tan calientes como el sol.
