La menace nucléaire mondiale s'est intensifiée ces derniers mois à la suite des affirmations que la Corée du Nord fabriquait des armes nucléaires et de la menace du président Donald Trump contre le dangereux dirigeant du pays. L'escalade des tensions a même amené l'horloge de la fin du monde à se rapprocher de minuit.
Cependant, malgré son potentiel de détruire le monde et de menacer notre existence même, l’énergie nucléaire a également le potentiel de résoudre les besoins énergétiques pressants de la planète.
Ces dernières années, de nombreuses entreprises privées ont sauté dans le train de la recherche, en raison des progrès technologiques et de notre compréhension de choses comme les supraconducteurs. Google s'est récemment associé à des experts en fusion nucléaire pour développer un algorithme permettant de résoudre des problèmes énergétiques complexes, et le MIT a récemment déclaré que la fusion nucléaire pourrait être sur le réseau dans 15 ans seulement.
Plus récemment, les scientifiques pensent avoir découvert l'un des mystères de la fusion nucléaire en observant l'explosion d'étoiles. L'équipe, de laLe groupe du Center for Laser Experimental Astrophysical Research de l’Université du Michigan a examiné comment la chaleur joue un rôle dans la façon dont les matériaux se mélangent pendant une supernovae - le point de lumière créé quand une étoile atteint la fin de sa vie et explose. Ces explosions envoient de grandes quantités d'énergie, dans certains cas plus que ce que notre propre soleil en donnera au cours de sa vie entière.
Le rôle que joue la chaleur dans de telles réactions de fusion dans l'espace a été largement négligé et les scientifiques ont tenté d'imiter de telles réactions sur Terre pour aider à conduire des percées dans l'énergie nucléaire. En mélangeant différents plasmas avec divers éléments, y compris le fer, le carbone, l'hélium et l'hydrogène dans des conditions de laboratoire, les chercheurs ont pu établir que les flux d'énergie provoquent une augmentation et une diminution de la chaleur, ce qui a un impact significatif sur la façon dont les éléments se mélangent avec le plasmas. Cela n'a pas été envisagé de cette manière, dans les expériences précédentes, et pourrait enfin détenir la clé pour rendre la fusion nucléaire plus durable sur Terre. La recherche est publiée dans Communications de la nature.
Qu'est-ce que l'énergie nucléaire?
Alors que l'énergie nucléaire a le potentiel de fournir aux humains une énergie presque illimitée, la physique derrière l'énergie nucléaire implique des interactions entre certaines des plus petites particules imaginables. Au centre de chaque atome de l'univers se trouve une minuscule collection de protons et de neutrons appelés noyau. Le nombre de protons et de neutrons dans le noyau détermine l’élément de l’atome, et le noyau constitue la majorité de la masse de cet atome.
À l'intérieur du noyau, les protons et les neutrons sont liés entre eux par l'une des quatre forces fondamentales de la physique appelée force forte. Comme son nom l'indique, la force forte est la plus forte des quatre, mais elle ne fonctionne que sur de petites distances - comme celles à l'intérieur d'un noyau. Les autres sontgravitationnel, électromagnétique et faible. Cette vidéo décrit les différences et leur impact sur nous:
Les atomes sont principalement des espaces vides. Si un atome avait la taille d'un stade de football, le noyau aurait à peu près la taille d'une mouche en son milieu. L’autre partie d’un atome est constituée des électrons du nuage en orbite autour du noyau d’un atome, mais la force forte ne s’applique pas aux électrons. Ils sont plutôt liés par des forces électromagnétiques, car ils ont une charge négative tandis que le noyau est chargé positivement.
D'une manière générale, la physique nucléaire implique la fabrication ou la rupture d'un noyau. Les deux sont des processus par lesquels une infime partie de la masse est perdue, et ceux-ci libèrent d'énormes quantités d'énergie.
Pourquoi l'énergie nucléaire est-elle si importante?
Depuis les années 1950, les physiciens tentent d'imiter le processus qui alimente le Soleil en contrôlant la fusion des atomes d'hydrogène en hélium. La clé pour exploiter cette puissance est de confiner des boules ultra-chaudes d'hydrogène gazeux appelées plasmas jusqu'à ce que la quantité d'énergie sortant des réactions de fusion équivaut à plus que ce qui a été mis. Ce point est ce que les experts en énergie appellent le seuil de rentabilité et, si cela peut être atteint, cela représenterait une percée technologique et pourrait fournir une source illimitée et abondante d'énergie zéro carbone.
Vous connaissez probablement l’équation la plus célèbre d’Einstein, E = mc ^ 2. Cela indique que la quantité d'énergie libérée lorsqu'un tout petit peu de masse est perdue est égale à cette masse multipliée par la vitesse de la lumière au carré. La vitesse de la lumière est un nombre assez énorme.
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Le plus petit noyau de tout élément est constitué d'un seul proton, trouvé dans les atomes d'hydrogène. L'hydrogène, aux côtés de l'hélium, du lithium et du béryllium, sont les éléments les plus légers de l'univers, ce qui signifie qu'il ne leur faut pas beaucoup d'énergie pour se former. Ces éléments légers se sont formés au tout début de l'univers, alors qu'il était âgé d'environ trois minutes et suffisamment froid pour que les protons et les neutrons se lient. C'est l'une des raisons pour lesquelles les plasmas d'hydrogène sont considérés comme la meilleure source d'extraction d'énergie nucléaire sur Terre.
Après ces quatre premiers éléments, l'univers s'est heurté à un mur. Il fallait plus d'énergie pour les 88 éléments suivants du tableau périodique, afin de surmonter les protons se repoussant avec leurs charges positives, et pour que cette fusion nucléaire entre en jeu.
Alors, qu'est-ce que la fusion nucléaire?
Presque tout ce qui nous entoure a été créé à l'intérieur d'une étoile. Les étoiles commencent avec de l'hydrogène, qu'elles pressent ensemble pour former de l'hélium. Ce processus se poursuit, libérant de l'énergie et chauffant l'étoile.
C'est cette réaction, utilisant l'hydrogène comme carburant, que les scientifiques et les équipes comme celles deTechnologies TAEessaient d'imiter pour atteindre la puissance de fusion nucléaire. Lorsque les noyaux de deutérium et de tritium - que l'on trouve dans l'hydrogène - fusionnent, ils forment un noyau d'hélium, un neutron et beaucoup d'énergie.
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Parce que la fusion nucléaire nécessite d'énormes quantités d'énergie pour déclencher des réactions, le processus s'est avéré difficile à copier sur Terre. Il faut une pression immense et des températures d'environ 150 millions de degrés pour que les atomes se combinent dans un réacteur à fusion.
Lorsqu'une étoile de la taille du noyau de notre soleil manque d’hydrogène (sa source de carburant), elle commence à mourir. L'étoile mourante se dilate en une géante rouge et commence à produire des atomes de carbone en fusionnant des atomes d'hélium. Les étoiles plus grosses peuvent créer des éléments plus lourds, de l'oxygène au fer, dans une nouvelle série de brûlures nucléaires. Tout ce qui est plus lourd que le fer est créé dans une supernova, l’explosion géante à la fin de la vie d’une étoile massive.
Quel est le lien entre la fusion nucléaire et la fission nucléaire?
L'énergie nucléaire, telle que nous la connaissons sur Terre, utilise une réaction nucléaire différente, appelée fission.
Lorsque des éléments commencent à se dilater, comme l'uranium ou le plutonium, avec plus de protons et de neutrons emballés à l'intérieur du noyau, il est possible de les décomposer en éléments plus petits en les frappant avec des neutrons. Cela entraîne également un changement de masse, libérant d'énormes quantités d'énergie.
Le problème réside dans les soi-disant sous-produits des réactions. Ces substances sont hautement radioactives, ce qui les rend incroyablement dangereuses et c'est l'inconvénient le plus important de l'énergie nucléaire.
Les déchets radioactifs doivent être traités avec une extrême prudence et la meilleure façon dont nous disposons actuellement pour s'en débarrasser est de les enfouir profondément sous terre. Mais cela fait des réacteurs nucléaires des endroits dangereux, et les catastrophes dans lesquelles des déchets radioactifs ont fui ont eu des conséquences désastreuses, comme la catastrophe de Tchernobyl en 1986 et de Fukushima.
Quelles entreprises travaillent sur la fusion nucléaire?
AVEC
En collaboration avec la société privée Commonwealth Fusion Systems, les chercheurs du MIT ont récemment conçu une nouvelle génération d'expériences de fusion et de centrales électriques utilisant des supraconducteurs à haute température. Bien qu'il ne soit pas encore réalisé, le partenariat vise à construire un appareil compact appelé SPARC.
Une fois les électroaimants supraconducteurs pour SPARC ont été développés et devraient l'être dans les trois prochaines années, SPARC les utilisera pour générer 100 millions de watts, ou 100 mégawatts (MW), d'énergie de fusion. Bien qu'il ne transforme pas cette chaleur en électricité, il produira autant d'énergie que celle utilisée par une petite ville - plus du double de celle utilisée pour chauffer le plasma, créant finalement une énergie nette positive à partir de la fusion pour la première fois. En cas de succès, cela pourrait aider à créer un prototype à grande échelle d'une centrale à fusion et mettre le monde sur la voie de la fusion nucléaire en seulement 15 ans.
Cette recherche fait suite aux travaux menés par Google etTechnologies TAE, qui s’appelle la plus grande société de fusion privée au monde, et sa machine à plasma ionisé géante C2-U. Google a créé un algorithme conçu pour accélérer les expériences de physique des plasmas et le but ultime de Tri Alpha Energy, à l'instar de CFS, est de construire la première centrale électrique commerciale basée sur la fusion. Plus vite il peut réaliser ses expériences, plus vite et moins cher il peut atteindre cet objectif et faire évoluer le monde vers une source d'énergie plus durable et plus propre.
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L'augmentation de la recherche du secteur privé sur la fusion nucléaire reflète l'énorme prix en jeu - une nouvelle façon abondante, respectueuse de l'environnement et sûre de produire de l'électricité, professeur Ian Chapman, PDG de la UK Atomic Energy Authority mentionné .
Afin de réaliser des expériences de ce type, le plasma - boules de gaz ultra chaudes - doit être confiné pendant de longues périodes de temps.Technologies TAEconfine ces plasmas en utilisant une méthode appelée configuration inversée sur le terrain qui devrait devenir plus stable à mesure que l'énergie augmente, contrairement à d'autres méthodes où les plasmas deviennent plus difficiles à contrôler lorsque vous les chauffez.
TAE Technologies »Le C-2U pousse ces expériences à la limite de la quantité d'énergie électrique qui peut être appliquée pour générer et confiner le plasma dans un si petit espace en si peu de temps. Optimiser ses paramètres (la machine possède plus de 1 000 boutons) et gérer le comportement du plasma est un problème complexe et c'est là qu'intervient l'algorithme optométriste de Google.
En tant qu'ingénieur logiciel senior de Google, Ted Baltz explique , la machine C-2U exécute un tir de plasma toutes les huit minutes et chaque cycle implique la création de deux gouttes de plasma en rotation à l’intérieur du vide du C-2U. Ces gouttes sont écrasées ensemble à plus de 600 000 miles par heure pour créer une boule de plasma plus grande, plus chaude et en rotation.
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La boule de plasma est ensuite frappée en continu avec des faisceaux de particules constitués d'atomes d'hydrogène neutres pour la maintenir en rotation. Les champs magnétiques maintiennent la boule en rotation jusqu'à 10 millisecondes. Google algorithme prend tous les paramètres du nombre de réglages à la qualité du vide et à la stabilité des électrons pour présenter aux physiciens humains des solutions.
Comment fonctionnent les bombes nucléaires?
Les États-Unis ont été le premier pays à développer des armes nucléaires, suivis de la Russie en 1949. En 2016, on estime que les États-Unis ont environ 7 000 ogives nucléaires, y compris des armes retirées, stockées et déployées. La Russie aurait environ 7300 ogives, la France en a environ 300 et le Royaume-Uni en a 215. La Corée du Nord, considérée comme l'une des menaces nucléaires les plus importantes des temps modernes, possède un nombre inconnu d'appareils, bien que les estimations placent le nombre à environ 10 .
Toutes les armes nucléaires utilisent la fission pour générer leurs explosions dévastatrices. Les premières armes, y compris le Little Boy largué sur Hiroshima pendant la Seconde Guerre mondiale, ont créé la masse critique nécessaire pour déclencher une réaction en chaîne de fission entirer un cylindre creux d'uranium 235 sur une cible fabriquée à partir du même matériau.
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Cette technique a progressé ces dernières années et, dans les armes modernes, la masse critique dépend de la densité du matériau. Ces armes font exploser des explosifs chimiques autour d'une soi-disant fosse d'uranium 235 ou de plutonium 239. Ces isotopes sont les éléments les plus courants capables de passer par la fission. L'uranium et le plutonium se trouvent tous deux naturellement dans les gisements minéraux, bien qu'en infime quantité (moins de 1% dans le cas de l'uranium et encore moins pour le plutonium), ce qui signifie qu'ils doivent être fabriqués. Il s’agit d’un processus coûteux et chronophage, qui constitue le principal obstacle à la construction plus libre de bombes nucléaires.
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Dans les explosions nucléaires modernes, l'explosion souffle vers l'intérieur, forçant les atomes de la fosse ensemble. Une fois la masse critique atteinte, les neutrons sont utilisés pour créer une réaction de fission en chaîne qui, à son tour, crée l'explosion atomique. Les armes à fusion thermonucléaire utilisent l'énergie de l'explosion de fission pour forcer les isotopes d'hydrogène ensemble, créant une boule de feu qui s'approche de températures aussi chaudes que le soleil.
