Kdaj bosta jedrska fuzija ukinila nafto in plin.

Ta božični čas je čas zahvale in upanja za velike preskoke v znanosti, ki so bili narejeni:

Najprej Princ William, ki je ustanovil nagrado Earthshots, je leta 2022 v Bostonu razglasil podelitev nagrad. Poklicana je bila ena kategorija Oživite naše oceane. Zmagala je skupina imenovana Avtohtone ženske Velikega koralnega grebena. Greben je bil napaden in zmagovalci so predani njegovi obrambi. Prizadevajo si zaščititi plaže in želve ter ohraniti morsko travo, ki zajame desetkrat več CO2 kot amazonski gozdovi. Borijo se s starodavnim znanjem domorodcev in uporabljajo sodobna orodja, kot so brezpilotna letala, za spremljanje sprememb koralnih grebenov in gozdnih požarov v notranjosti.

Drugič, ameriško ministrstvo za energijo je 20 let financiralo koncept in razvoj majhnega modularnega jedrskega reaktorja (SMR), imenovanega NuScale Power Module. Prednosti so varnejše, cenejše, razširljive in brez ogljika. To je edini SMR, ki je prejel soglasje Komisije za jedrsko regulativo (NRC). Manj kot 100 ft visok modul je 15 ft širok valj, ki sedi v kopeli z vodo pod tlemi. Lahko proizvede 77 megavatov električne energije, ki lahko oskrbuje 60,000 domov. Cilj je, da do leta 2029 začne delovati v Idahu.

Tretjič, zdravstvena ustanova ima a preboj pri zdravljenju nekaterih vrst raka. Metoda vzame T-celice, ki so del imunskega sistema, ki se bori proti raku, iz telesa, da jih gensko spremeni s tehniko CRISPR in jih nato ponovno vbrizga nazaj v telo kot »živo zdravilo«. Z uporabo CRISPR lahko T-celice natančno prilagodimo in naredimo bolj smrtonosne pri napadu na določene rakave celice.

Te "gotove" T-celice je mogoče hitro proizvesti v velikih količinah z uporabo CRISPR, namesto da bi morali čakati tedne ali mesece prej. 12. decembra 2022 je dr. McGuirk z Univerze v Kansasu objavil rezultate preskušanja, ki so bili presenetljivo dobri in so odprli nova vrata zdravljenju raka: tumorji so se zmanjšali pri 67 % od 32 bolnikov z rakom limfoma. 40% bolnikov je doseglo popolno remisijo. Obstaja veliko navdušenje nad potencialom te tehnike za zdravljenje številnih drugih vrst raka.

Četrti je preboj v jedrski fuziji, ki je prav osupljiv.

Preboj jedrske fuzije.

V prejšnjem stoletju, največjem stoletju fizike, je bilo eno od odkritij jedrska cepitev. Ko težek atom, kot je plutonij, razpade, se izgubi majhna količina mase in se ponovno pojavi kot ogromna količina energije - ker je E = mc^2, kjer je c hitrost svetlobe in zelo veliko število.

Pod grožnjo, da bo Nemčija razvila bombo z verižno reakcijo, ki temelji na tej reakciji, je vlada ZDA vložila ogromno sredstev v izdelavo fisijske bombe v Los Alamosu v Novi Mehiki, nedaleč od mesta, kjer živim. Preizkušen je bil v puščavi White Sands južno od Albuquerqueja in sčasoma uporabljen za konec vojne z Japonsko.

Komercialna uporaba je hitro pripeljala do jedrskih reaktorjev velikosti mreže v različnih državah. Nekateri so bili uspešni – Francija dobi 70 % svoje električne energije iz 56 jedrskih reaktorjev, medtem ko ZDA dobijo približno 20 % svoje energije iz 93 jedrskih reaktorjev.

Toda uspeh je neprijeten, ko se zgodijo strašne nesreče, kot sta Černobil v Rusiji leta 1986 in Fukušima na Japonskem leta 2011, in vedno prisotna skrb glede odlaganja jedrskih odpadkov v ZDA.

Sestrska jedrska reakcija je, ko sta dve vodikovi jedri prisiljeni, da se združita v helij s premagovanjem odbojnih sil in ponovno se sprosti ogromna količina energije. To je bila osnova ameriških poskusov vodikove bombe v južnem Tihem oceanu (atol Bikini) v petdesetih letih prejšnjega stoletja pred pogodbo o prepovedi poskusov leta 1950.

Komercialna uporaba jedrske fuzije se je iskala desetletja od takrat. Na primer, eno prizadevanje temelji na Sandia National Laboratories v Albuquerqueju, kjer je vroča nabita plazma omejena z električnimi polji. Zamisel je bila omejiti, stisniti in segreti plazmo (vnos energije), dokler se vodikova jedra ne združijo (izstop iz energije). Toda vnos energije je bil vedno večji od izhoda.

Druga komercialna aplikacija je bila v Laboratoriju Lawrence Livermore na območju zaliva San Francisco v Kaliforniji. Tukaj Uporabljenih je bilo 192 laserjev omejiti, stisniti in segreti plazmo z razstreljevanjem 1 milijon dolarjev vrednih kroglic mešanih vodikovih izotopov. Rezultati so bili vedno enaki – do zdaj. Napovedano v tednu, ki se je končal 16. decembra 2022, je bila porabljena energija (3.1 megadžoula) prvič večja od vnesene energije (2.1 megajoula). To je pravi preboj. Dosežena temperatura je bila 3 milijone stopinj C.

Če pogledamo to v perspektivo.

Prvič, vnos in izstop energije je preveč preprost, saj je za vklop laserjev potrebna veliko večja energija: 400 megajoulov. Glej ref. 1.

Drugič, zgodba o uspehu je bila samo en dogodek – en fuzijski vžig. Da bi bil skoraj praktičen, bi zahtevalo veliko, veliko fuzijskih dogodkov na minuto in bi potreboval laser, ki je tisočkrat močnejši. Poleg tega bi morali biti stroški milijonkrat nižji (Ref. 1). Z eno besedo, ta edini uspeh, čeprav je navdihujoč, še zdaleč ni blizu praktične uporabe.

Torej ni poceni in ni praktično, vendar bi proizvajalo visoko intenzivno energijo in bi bilo brez ogljika.

Energija jedrske fisije je milijonkrat močnejši kot kateri koli drug vir energije na zemlji. In to je velik razlog za naložbe v državah, kot sta Francija in ZDA, za izgradnjo desetine jedrskih elektrarn.

Jedrska fuzija ustvari 3-4-krat več energije kot jedrska cepitev. To je en del sanj. Drug del fuzijskih sanj je, da ni jedrskih odpadkov, ki bi jih lahko odstranili – odpadkov, ki lahko razpadejo na stotine ali tisoče let. Tretji del pa je, da fuzija ni verižna reakcija, zato nevarnost pobeglih jedrskih reakcij in eksplozij ne obstaja.

Ker je proizvodnja električne energije odgovorna za približno tretjino svetovnih emisij toplogrednih plinov, so zadnji del sanj elektrarne za jedrsko fuzijo, posejane po vsej državi, da bi zagotovile visoko intenzivno električno energijo brez ogljika.

Toda ne pozabite, to so le sanje. Kljub svojim prednostim jedrska fuzija brez ogljika ne bo ukinila industrije nafte in plina do leta 2050 in morda niti do leta 2100.

Vzemite s seboj.

Človeštvo je posnemalo sončni vir svetlobe in toplote. Pri približno 15 milijonih stopinjah C je plinasta notranjost sonca stisnjena pod ogromnim pritiskom – čajna žlička tehta 750 gm ali 1.65 lb. Za posnemanje notranjih pogojev sonca v laboratoriju in doseganje praga rentabilnosti (poraba energije je večja od vhodne). ) je impresiven podvig.

Toda jedrska fuzija še zdaleč ni blizu komercialne uporabe.

Zakaj torej trošimo veliko denarja za preiskavo? Ker tako delajo napredne države. Izdelujejo teleskope, kot je James Webb, in jih nameščajo na satelite za preučevanje vesolja. Izdelujejo rakete, da bi na Luno poslali moške in ženske. Gradijo magnetna dirkališča, da pospešijo protone do svetlobne hitrosti, preden se zrušijo in v drobcih razkrijejo izmuzljive subatomske delce, kot je Higgsov bozon.

Politika igra veliko vlogo pri odločanju, kam se porazdelijo vladna podpora in sredstva za znanost. Na srečo, kot je navedeno zgoraj, obstaja veliko primerov držav, ki uporabljajo znanost za reševanje perečih problemov, ki neposredno koristijo človeštvu.

Referenca 1: Jerusalem Demsas, Moč sonca, The Atlantic Daily, 16. december 2022.