מתקן אמריקאי המבצע היתוך בעזרת לייזרים שבר את שיא הניצולת שלו, אך הדרך לייצור יעיל של אנרגיה נקייה כזו עדיין ארוכה מאוד
מדענים במתקן ההצתה הלאומי של ארצות הברית (NIF) דיווחו לאחרונה על התקדמות משמעותית בהפקת אנרגיה מהיתוך גרעיני של מימן. מה קרה בניסוי ומהן ההשלכות שלו?
לספק לאטומי המימן אנרגיה גבוהה במיוחד. הדמיה של פגיעת הלייזרים בכדורית המטרה | מקור: LLNL
היתוך גרעיני הוא תהליך שבו הגרעינים של אטומים קלים מתאחדים ליצירת אטום כבד יותר, תוך כדי שחרור של אנרגיה רבה – זהו מקור האנרגיה של השמש ושאר הכוכבים. כיום מתמקדים בעיקר בלהפוך דאוטריום להליום, מכיוון שזהו תהליך ההיתוך הקל ביותר לביצוע. דאוטריום הוא אטום מימן כבד, שבגרעין שלו יש פרוטון ונייטרון, ולא רק פרוטון כמו במימן הנפוץ.
יתרונות התהליך כמקור אנרגיה הם שהוא כמעט ואינו מזהם, ומאגר הדלק שלו יספיק למיליוני שנים – אפשר להפיק דאוטריום ממי האוקיינוסים. עד כה הצליחו להפיק כמויות משמעותיות של אנרגיה מתהליך זה בכדור הארץ רק בצורה בלתי מבוקרת, בפצצת מימן. הבעיה העיקרית היא שהתהליך מתרחש רק בטמפרטורות גבוהות במיוחד, עשרות מיליוני מעלות, ויש להשקיע ראשית אנרגיה רבה בחימום המימן. במקרה של פצצת מימן, המקור לאנרגיה זו הוא בפצצת אטום, שאת האנרגיה שלה מרכזים כדי להצית את דלק ההיתוך. כדי לבצע היתוך מבוקר נצטרך להשתמש במקורות אנרגיה קונבנציונליים. הסיבה שיש צורך באנרגיה כה רבה היא שלגרעיני המימן, כמו גרעיני כל האטומים, הם בעלי מטען חשמלי חיובי ולכן דוחים זה את זה. אם רוצים שהם יתנגשו ויתמזגו, יש לטעון אותם באנרגיה רבה שתאפשר להם להתנגש זה בזה במהירות עצומה ולהתגבר על כוח הדחייה. לשם כך דרושה טמפרטורה גבוהה, המספקת לאטומים את האנרגיה.
אחת השיטות הנחקרות כיום להיתוך גרעיני מבוקר היא בעזרת לייזרים, ו-NIF הוא המתקן הגדול בעולם מסוג זה. הרעיון הוא להשתמש בלייזרים חזקים במיוחד ורבים מאוד, כ-200 במקרה של NIF. כשכולם פועלים בו זמנית, בפרק זמן של פחות ממיליונית השנייה, הם מרכזים אנרגיה על המטרה, כדור קטנטן המכיל כמה מיליגרמים של דלק להיתוך גרעיני. הרעיון הוא לבצע את ההיתוך במהירות רבה, כך שהתגובה תסתיים לפני שהדלק יספיק להתפזר ולהתקרר. אלא שגם במקרה זה, לא פשוט לרכז די אנרגיה כדי לגרום למימן לעבור היתוך גרעיני וברוב הניסויים רק חלק קטן יחסית מהאטומים אכן עוברים היתוך.
ריכוז אנרגיה עצום בהרף עין. חלק ממערך הלייזרים של NIF | צילום: LLNL
התקדמות משמעותית
בניסוי שנעשה בתחילת אוגוסט 2021, נוצרה בהיתוך כ-70 אחוז מהאנרגיה שהושקעה בו – הישג השיא נכון להיום עבור היתוך גרעיני. השיפור הושג בזכות שדרוג הלייזרים ומייצור המטרה באופן מוצלח יותר, מלאכה קשה הדורשת דיוק רב מאוד. עם זאת, עדיין רק חלק קטן מאוד מהמטרה עובר היתוך גרעיני – בניסוי הזה הושקעו 1.9 מגה-ג'ול בחימום המטרה, וההיתוך הגרעיני שחרר כ-1.35 מגהג'ול. אילו כל הדלק בקפסולה היה עובר היתוך גרעיני, דבר בלתי אפשרי מבחינה מעשית, היו משתחררים כמה מאות מגה-ג'ול – כמות אנרגיה השווה לכמה עשרות קילוגרמים, ואף יותר, של חומר נפץ קונבנציונלי, מקפסולה בקוטר שני מילימטר בלבד!
למרות שמדובר בהתקדמות מרשימה ביחס לתוצאות שהושגו ב- NIF בעבר, יש לציין כי הפקה מסחרית של אנרגיה מהיתוך גרעיני עדיין רחוקה מאוד. ראשית, הקפסולות כיום קטנות ויקרות מדי ביחס לשווי הכלכלי של החשמל שאפשר להפיק מהן, אם היו מנצלים את האנרגיה למטרה הזו. שנית, עבור תחנת כוח מסחרית יהיה צורך להפעיל את הלייזרים כמה פעמים כל שנייה כדי להפיק אנרגיה בכמות מספקת, בעוד כיום NIF מסוגל לבצע רק ניסוי אחד ביממה, בממוצע. הלייזרים גם אינם יעילים מספיק, ורק חלק קטן מהאנרגיה המושקעת בהם מגיעה בסוף לחימום המטרה בפועל.
מטרה לדוגמה של NIF, כדור זהב בקוטב 2 מ"מ המכיל דלק להיתוך גרעיני | צילום: LLNL.
אף על פי שאנו עדיין רחוקים עשרות שנים מהפיכת ההיתוך הגרעיני למקור אנרגיה מסחרי נפוץ, הניסוי המוצלח הוא בכל זאת בשורה מעודדת לעתיד, ונצטרך לחכות כדי לראות אם יבואו בעקבותיו שיפורים נוספים. כיום נתלית עיקר התקווה דווקא בשיטה אחרת להיתוך גרעיני, הנקראת טוקמאק, ובמתקן הגדול מסוגו שעדיין נמצא בבנייה בדרום צרפת, ITER, שבו משתמשים בשיטות אחרות לגמרי ליצירת היתוך גרעיני – חימום הדלק וכליאתו לזמן ממושך (יחסית) בעזרת שדות מגנטיים. המיזם, שבנייתו תושלם כנראה עד סוף העשור, צפוי להפיק יותר אנרגיה ממה שיצרוך, אם כי אנרגיה זו לא תנוצל להפקת חשמל אלא רק להוכחת ההיתכנות של השיטה. ייתכן בהחלט כי עוד בימי חיינו נזכה לראות את האנושות מתבססת על מקור אנרגיה לא מזהם, שאינו פולט גזי חממה וכמעט אינסופי, אך הדרך להגשמת היעד הזה עוד ארוכה ודורשת התגברות על מכשולים לא מעטים.
