חוקרים בארצות הברית ביצעו בפעם הראשונה היתוך מבוקר המייצר יותר אנרגיה ממה שהוא צורך, אך הדרך לחשמל זול, זמין וידידותי לסביבה – עדיין ארוכה מאוד
מעבדה אמריקאית לאומית מדווחת כי השיגה פריצת דרך בחקר ההיתוך הגרעיני, אך נותרה עוד דרך ארוכה להגשמת החלום להפיק חשמל מסחרי מהיתוך גרעיני. "מדובר בנס הנדסי שלא יאמן", הדגישה היועצת המדעית של נשיא ארצות הברית, אראטי פרבקר (Prabhakar). "מעבדת המחקר ניסתה במשך עשורים להשיג את המטרה של ייצור יותר אנרגיה ממה שהוכנס בעזרת הלייזרים, ובשבוע שעבר הם סוף סוף הצליחו לעשות זאת, לאחר שדורות רבים של חוקרים ומהנדסים התמודדו עם אתגרים רבים. פתחנו דרך חדשה למקור לאנרגיה נקיה ולמדע הבסיסי". "זה אירוע שייכנס לספרי ההיסטוריה", אמרה שרת האנרגיה של ארצות הברית, ג'ניפר גרנהולם (Granholm).
היתוך וביקוע
כשמדברים על אנרגיה גרעינית, מתכוונים לרוב לתהליך ביקוע, שבו גרעינים של אטומים גדולים ולא יציבים, כמו אורניום, מתפרקים לגרעינים קטנים יותר, בתהליך שבו משתחררת אנרגיה רבה ונפלטים חומרים רדיואקטיביים. ביקוע גרעיני אלים מתרחש בפצצת אטום, אך בתנאים מבוקרים הוא מאפשר לייצר אנרגיה בטוחה. עם זאת, רבים חוששים מהפסולת הגרעינית שהתהליך יוצר, ומהסיכון לתאונה קטלנית או משימוש לרעה בחומר הרדיואקטיבי כנשק.
התהליך ההפוך לביקוע הוא היתוך גרעיני, שבו גרעינים של אטומים קלים מתלכדים ליצירת גרעינים כבדים יותר בתהליך נקי שמפיק אנרגיה עצומה בלי פליטה של חומרים רדיואקטיביים. זהו התהליך שמתרחש בשמש ובשאר הכוכבים. עם זאת, כאן בכדור הארץ קשה להשיג את תנאי הלחץ והטמפרטורה שדרושים להיתוך השוררים בליבת השמש, ועד כה האנושות הצליחה לנצל את אנרגיית ההיתוך הגרעיני לייצור פצצות בלבד. כל היתוך מבוקר דרש השקעה של יותר אנרגיה מזו שהוא ייצר, וכבר עשרות שנים שחלום כורי ההיתוך לייצור חשמל נשאר בגדר חלום.
קשה לחקות את תנאי החום והלחץ בליבת השמש. מרכז המתקן להיתוך מבוקר ב-NIF | צילום: National Ignition Facility
תגובת שרשרת
כעת, מדענים במתקן ההצתה הלאומי של ארצות הברית (NIF) בקליפורניה הצליחו להצית תהליך היתוך גרעיני מבוקר שפלט יותר אנרגיה מזו שיצרה אותו. החוקרים יצרו תגובת שרשרת שבה האנרגיה שהשתחררה בהיתוך אחד הובילה להיתוך של אטומי מימן נוספים, שגרמו להיתוך של עוד אטומים וכן הלאה. ההצלחה הגיע לאחר התקדמות משמעותית של המעבדה בשנה שעברה, ולאחר קשיים לשחזר את ההתקדמות במשך זמן רב.
כדי להתחיל את התהליך, המדענים מיקדו 192 אלומות של הלייזר החזק בעולם על גליל שמכיל מטרה בגודל של אפון, המלאה באיזוטופים של מימן בשם דאוטריום וטריטיום. בניגוד לאטום מימן רגיל, שהגרעין שלו הוא פרוטון בלבד, דאוטריום וטריטיום מכילים גם נייטרונים, לכן קל יותר להשתמש בהם לייצור הליום. אלומות הלייזרהעלות את הטמרפטורה של המטרה ליותר משלושה מיליון מעלות צלזיוס, והחום העז דחס מאוד את הדלק המימני, וגרם לו לעבור היתוך גרעיני מהיר להליום, תוך שבריר שניה.
בניסוי שבוצע ב-5 בדצמבר השנה, תהליך ההיתוך שיחרר אנרגיה בסך של 3.15 מגה-ג'ול (MJ), שהם כ-50 אחוז יותר מהאנרגיה של הלייזרים שכוונו אל עבר המטרה, 2.05 מגה-ג'ול. עם זאת, מדובר בניסוי מדעי, והוא רחוק מאוד מלהיות מודל לכור היתוך מסחרי. מערך הלייזרים דורש בניין שלם בן עשר קומות, והפעלתו כרוכה באיבוד עצום של אנרגיה. סך האנרגיה ששוחררה בהיתוך גדולה אמנם ממה שהושקע ישירות בחימום המטרה, אך קטנה בהרבה מזו שנדרשה להפעלת הלייזרים העוצמתיים. כמו כן, מדובר כרגע בלייזרים שיכולים לפעול רק לכמה שניות ביממה, כך שלמרות ההצלחה בניסוי עצמו, המערכת עדיין רחוקה מאוד מכל יישום מעשי.
האתגר הגדול בניסויים האלה הוא לשמור על טמפרטורה מספיק גבוהה לאורך זמן, כדי לאפשר את שרשרת ההיתוך הגרעיני. אטומי המימן נוטים לנוע במהירות ולאבד אנרגיה, כלומר להתקרר, והלייזר חייב לשמור עליהם חמים כדי לאפשר את התגובה. "אנחנו נמצאים כל הזמן במירוץ בין קצב הקירור ואובדן האנרגיה של המערכת, לקצב שבו אנו יכולים לחמם את החלקיקים", אמר אחד החוקרים בניסוי. "במשך 60 שנה הפסדנו במירוץ, ועכשיו בפעם הראשונה הצלחנו לנצח בו".
כמעט 200 אלומות של הלייזר החזק בעולם מכוונות לאותה נקודה. טכנאים בוחנים את אתר המטרה במתקן NIF | צילום: Jason Laurea, National Ignition Facility
לייזרים לעומת מגנטים
ההיתוך הגרעיני המהיר מתרחש לפני שהדלק מספיק להתפזר, וכך האנרגיה שהוא משחרר פוגעת באטומי מימן נוספים הארוזים בצפיפות, ויוצרת תגובת שרשרת של היתוכים. זאת לעומת מרבית טכנולוגיות ההיתוך שבפיתוח, שבהן מחממים את המימן למצב של פלזמה אנרגטית בצפיפות נמוכה. טכנולוגיות אלו דורשות ללכוד את הפלזמה בשדות מגנטיים חזקים מאוד לשניות ארוכות, עד שגרעיני המימן יתנגשו זה עם זה מספיק פעמים כדי ליצור את תגובת השרשרת של ההיתוך ולשחרר די אנרגיה.
המתקן הגדול מסוגו להיתוך מבוקר בשיטה זו, ITER, עדיין נמצא בבנייה בדרום צרפת, ומעריכים כי יתחיל לפעול לקראת סוף העשור. הוא צפוי להפיק יותר אנרגיה ממה שיצרוך, אם כי אנרגיה זו לא תנוצל להפקת חשמל אלא רק להוכחת ההיתכנות של השיטה.
עתיד מבטיח אבל רחוק
לפי ד"ר רובי סקוט (Scott), שמשתתף במחקר הלייזרים של NIF "אי אפשר להמעיט בחשיבות פריצת הדרך הזו למדע של היתוך גרעיני בלייזר". מדע ההיתוך חשוב לחקירת פצצות מימן, אך גם לפיתוח מקור אנרגיה נקי, בטוח וכמעט בלתי מוגבל. סקוט מוסיף כי "זה צעד חשוב המוכיח את נכונות התיאוריה הפיזיקלית של ההיתוך, אך נותרה הרבה עבודה כדי להפוך אותו למקור אנרגיה".
מנהלת מעבדות לורנס ליברמור, קים בודיל (Budil) הדגישה במסיבת העיתונאים כי עדיין יש בעיות בטכנולוגיה. "צריך להפיק הרבה יותר היתוכים, ולשפר מאוד את השיטה כדי לעבור מלייזר שפועל פעם ביממה להפקת חשמל רציפה. מסחור הטכנולוגיה ייקח עוד עשרות שנים, אבל פחות מחמישה עשורים", להערכתה.
הפקת חשמל נקי וזול ממקור זמין ובלתי מתכלה כמו מימן תפתור את רוב בעיות האנרגיה והסביבה של כדור הארץ. עם זאת, למרות ההתקדמות, הדרך עדיין ארוכה מאוד, ומוקדם לפתח תקוות שכורי היתוך מסחריים יתחילו לייצר חשמל בעתיד הקרוב.
