היתוך גרעיני תרמו-אטומי הוא בתיאוריה הדרך הזולה והירוקה לייצר אנרגיה גרעינית, בניגוד לדרך המסוכנת והמזהמת של ביקוע גרעין המונהגת כיום. בעליה של חברה קנדית חושב שהגיע לפריצת דרך בתחום ומציג אותה בכנס TED 2014

היתוך גרעיני – אנרגיית העתיד?

היתוך גרעיני הוא הדרך של הטבע ליצור אנרגיה. זהו התהליך שמתרחש במרכזם של כוכבי לכת וגורם להם להקרין אנרגיה לסביבתם הרחוקה במשך מיליארדי שנים. בתהליך הגרעיני שני גרעינים אטומיים מתמזגים לגרעין גדול יותר והמפגש ביניהם גורם לפליטת אנרגיה רבה. נסיונות לרתום את התהליך לטובת הפקת אנרגיה גרעינית מתמשכים כבר כמה עשורים, אך עד כה לא הגיעה פריצת הדרך שתהפוך את ההיתוך הגרעיני לדרך פרקטית לייצור אנרגיה.

היתוך גרעיני דורש אנרגיה תחילית רבה על מנת להפגיש שני גרעיני אטומים שהמטען החיובי של שניהם מונע מהם להיפגש. האנרגיה התחילית מתאפשרת בטבע מהדחיסה הכבידתית בתוך הכוכבים. בפיזיקה המעשית מנסים לייצר את האנרגיה התחילית להיתוך גרעיני בשתי אופציות. הראשונה היא פצצת מימן, שדורשת כוח ביקוע ראשוני כדי להפעיל אותה ולפיכך לא מעשית. השנייה היא היתוך גרעיני תרמו-אטומי, שבו משתמשים בכור גרעיני בטמפרטורות גבוהות מאוד כדי להפגיש את שני הגרעינים.

תהליך ההיתוך הגרעיני נתפס כדרך טובה יותר לייצר אנרגיה גרעינית מאשר הביקוע האטומי, שהוא הדרך היחידה בה משתמשים כיום להפקת אנרגיה גרעינית. מקור הדלק להיתוך הגרעיני התרמו-אטומי נמצא במימן שבמים וניתן לזיקוק ממי-ים, משמע שהוא דלק זמין מאוד וזול מאוד לביצוע הפעולה הזאת, במיוחד בהשוואה לאורניום שמשמש לביקוע גרעיני ונמצא באחוזים קטנים בכרייה במקומות נדירים מאוד. התוצר של ההיתוך הגרעיני הוא הליום, שאינו רדיואקטיבי ולכן אינו מזהם, בניגוד לתוצר של ביקוע גרעיני –  שהינו רדיואקטיבי ומזהם מאוד. כור ההיתוך התרמו-אטומי גם לא נמצא בסכנה להיות מומס כמו כורי ביקוע הגרעין.

במסגרת ועידת TED2014 שהתקיימה בחודש מרץ בונקובר, קנדה, עלה לנאום מייקל לאברג', הבעלים של חברת ג'נרל פיוז'ן המקומית, שעוסקת בדרך חדשנית של ייצור היתוך גרעיני על ידי מכות פטיש מסונכרנות. מנאומו אפשר ללמוד רבות על התחום מזווית הראייה הייחודית של אדם שמנסה לפרוץ דרך בו (הסרטון מצורף בתחתית הידיעה).

אם היתוך הוא כל כך מעולה, למה אנחנו לא משתמשים בו?

לפי לאברג' הבעיה שגורמת למכשול בתחום הפקת האנרגיה מההיתוך היא הקושי לייצר אותו. בתהליך ההיתוך שני הגלעינים שצריכים להתחבר הם בעלי מטען חיובי ולכן אינם שואפים להתמזג ו"בורחים" אחד מהשני כשמנסים למזג אותם. בכדי לגרום להם להתמזג יש "לזרוק" אותם אחד על השני במהירות גדולה, ובמידה והם מהירים מספיק הם יפגעו אחד בשני, יתמזגו וייצרו אנרגיה. מהירות החלקיקים היא מידה של הטמפרטורה, והטמפרטורה הדרושה להיתוך היא 150 מיליארד מעלות צלזיוס, להגיע לחום הגבוה הזה בכדי ליצור את ההיתוך.

אך למרות הקושי, לבארג' מספר כי כן נרשמו הצלחות במציאת דרכים שהופכות את ההיתוך התרמו-אטומי לאפשרי. אחת הדרכים לעשות זאת היא להעזר בטבעת ענקית של סליל מגנטי שנקראת "טוקמק". מדובר בסליל שהוא מוליך-על ויוצר שדה מגנטי הלוכד במרכז הטבעת את הגז החם (הפלזמה). החלקיקים מסתובבים סביב העיגול בקיר. בשלב הזה הפיזיקאים זורקים כמות אדירה של חום פנימה בכדי ליצור את ההיתוך.

דרך שניה לעשות את ההיתוך היא על ידי שימוש בהיתוך לייזר. בהיתוך לייזר יש כדור פינג פונג קטן, שמים את דלק ההיתוך במרכזו ויורים עליו עם קבוצה של לייזרים מסביב. הלייזרים מועכים את כדור הפינג פונג מהר, המעיכה גורמת לו להתחמם, ואם זה נעשה מספיק מהר, כשהם עושים את זה במילארדית השניה, זה יוצר מספיק אנרגיה וחום כדי לעשות היתוך.

האם תחום ההיתוך הגרעיני מתקדם לקראת שלב מעשי?

המחשבה בציבור היא שתחום ההיתוך לא מתקדם לשום מקום, אבל התפיסה הזו אינה נכונה לדעתו של לבראג' והוא טוען שכשבוחנים את הנצילות בהיתוך במהלך 30 השנים האחרונות רואים שעכשיו מיוצר בערך פי 10,000 יותר היתוך מהכמות שיוצרה בתעשייה כשהחל התהליך. ניתן לציין שלוש נקודות עיקריות בדרך להפוך את ההיתוך הגרעיני לאנרגיה יישומית:

הנקודה הראשונה התרחשה בשנת 1997 כשמכונת טוקומאק דונאט גדול באירופה בשם JET יצרה 16 מגה-ואט של כוח היתוך על ידי שימוש באנרגיית 17 מגה-ואט של חום. ההפקה לא הייתה יעילה כי היה צריך להכניס יותר אנרגיה מהכמות שהתקבלה ביציאה. בחודש פברואר השנה הגיעה הנקודה השנייה, כשמרכז ההצתה הלאומי בארה"ב, NIF, הודיעו שעם הלייזר הגדול שברשותם הם הצליחו לייצר יותר אנרגיית היתוך מהאנרגיה שהם הכניסו לליבת כדור הפינג פונג, התוצאה עדיין לא מספקת כי ביחד עם צריכת האנרגיה של הלייזר עדיין התקבלה פחות אנרגיה בסיכום הסופי, אך השיפור היה משמעותי.

הנקודה השלישית היא הצעד הבא בתחום. IETR, או כפי שמבטאים אותו "איי-טר", הוא שיתוף פעולה גדול בין מדינות שונות שבונות דונאט מגנטי גדול בדרום צרפת. מקווים שהמכונה המדוברת, כשבנייתה תסתיים בשנת 2015 והיא תופעל, תייצר 500 מגוואט של חשמל היתוך ותצרוך רק 50 מגוואט כדי ליצור אותה.

הבעיה עד כה על פי לבארג' הייתה ההתמודדות עם הפוליטיקה שלא הראתה רצון לקדם את התחום. ה-IETR, למשל, יכול היה להיבנות כבר בתחילת שנות האלפיים, אבל בגלל שמדובר בשיתוף פעולה בין-לאומי גדול, הפוליטיקה נכנסה למשחק ויצרה עיכובים. לדוגמה, לקח בערך שלוש שנים רק כדי להחליט איפה לשים את המתקן.

מלבד זאת, היתוך מקבל ביקורות על היותו יקר מדי, כיוון שעלה עד כה בין מיליארד לשני מיליארד דולר לשנה כדי לעשות את ההתקדמות עד כה, אבל הסכומים שמדוברים עליהם מהווים עדיין רק חצי אחוז מהכסף שמוציאים על סובסידיות לנפט וגז ואנרגיה מתחדשת, כך לפי לבארג'.

איך מכות פטיש מסונכרנות יכולות ליצור היתוך גרעיני?

לבארג' מדבר על צורת התפיסה שלו כשהוא נכנס לתעשיית ההיתוך, "כשאני פתחתי את חברת ההיתוך הזו ב2002, ידעתי שאני לא יכול להלחם עם החבר'ה הגדולים, היו להם הרבה יותר משאבים, אז החלטתי שאני אצטרך למצוא פתרון שזול ומהיר יותר. היתוך מגנטי ולייזר הן מכונות נפלאות, והן הראו שהיתוך יכול לקרות. עם זאת, כתחנת כוח, אני לא חושב שהן מספיק טובות. הן גדולות מדי, מסובכות מדי, יקרות מדי, והן לא מתמודדות טוב עם אנרגיית ההיתוך כי האנרגיה יוצאת בהיתוך כניוטרונים מהירים שיוצאים מהפלזמה, אלה פוגעים בקיר המכונה ופוגמים אותה, וגם צריך ללכוד את החום מהניוטרונים האלה ולהריץ קיטור כדי לסובב טורבינה איפשהו, ועל המכונות האלו חשבו בהיבט של יצירת ההיתוך, ולא יצירת הכוח.”

לבראג' תיאר את הדרך החלופית לשתיים האלה, "הדרך שמשכה את תשומת לבי נקראת היתוך מטרה ממוגנטת, MTF, מה שעושים שם זה לקחת מיכל גדול ולמלא אותו עם מתכת נוזלית, ומסובבים את המתכת הנוזלית כדי לפתוח מערבולת במרכז, ואז יש בוכנה המונעת על ידי לחץ שהולכת מבחוץ, וזה דוחס את המתכת הנוזלית סביב הפלזמה, והיא דוחסת אותה, היא נעשית חמה יותר כמו לייזר, ואז היא יוצרת היתוך. זה סוג של ערבוב בין היתוך מגנטי להיתוך לייזר, אז יש לזה כמה יתרונות, המתכת הנוזלית קולטת את כל הניוטרונים ואף ניוטרון לא פוגע בקיר, ולכן אין נזק למכונה, והמתכת הנוזלית מתחממת כל כך שאפשר באמצעותה לייצר קיטור כדי לסובב את הטורבינה, ומכיוון שהאנרגיה כדי לייצר את ההיתוך מגיעה מבוכנות מונעות קיטור, זה הרבה יותר זול מלייזרים או סלילים מוליכי על. זו שיטה מעולה חוץ מהבעיה שהיא לא ממש עובדת. הפלזמה מתקררת מהר יותר ממהירות הדחיסה, אז כשמנסים לדחוס את זה הפלזמה מתקררת ולא עושה כלום.”

בהמשך לבארג' הגיע אל הדרך היישומית שלו, "כדי לשפר את זה חשבתי על פגיעה, להניף את הפטיש על המסמר ולפגוע בו במקום לשים את הפטיש על המסמר ולדחוף אותו בניסיון להכניס אותו. המחשבה שלי הייתה להאיץ את הבוכנות עם הקיטור, זה לוקח מעט זמן, אבל אז מכים בבוכנה וכל האנרגיה נעשית מיידית, מגיעה מיידית לנוזל, וזה דוחס את הפלזמה מהר בהרבה. בנינו מכונה כזו במוסך ויצרנו מכשיר שהצלחנו לדחוס מעט ניוטרונים ממנו, ואלה הניוטרונים השיווקיים שלי, שאיתם גייסתי 50 מיליון דולר, ושכרתי 65 אנשים. המכונה שאנחנו רוצים לבנות תהיה מכונה גדולה, בערך בקוטר של שלושה מטר, עופרת נוזלית מסתחררת, מערבולת גדולה במרכז, שמים את הפלזמה מעל ומתחת, בוכנות פוגעות בצדדים, ואז בהטחה זה דוחס אותה, מייצר קצת אנרגיה והניוטרונים ייצאו מהמתכת הנוזלית, יכנסו למנוע הקיטור ויסובבו את הטורבינה, וחלק מהקיטור יחזור כדי להפעיל את הבוכנה. זה יצור 100 מגוואט של חשמל.”

"בנינו גם את המזרק", לבארג' ממשיך, "המזרק יוצר את הפלזמה להתחלה, זה יוצר פלזמה בטמפרטורה 'חמימה' של שלוש מיליון מעלות צלזיוס. לצערנו היא לא מחזיקה כל כך הרבה זמן, אז אנחנו צריכים להאריך את חיי הפלזמה מעט, אבל אני חושב שהגענו לשם ויש לנו את זה עכשיו. בנינו ספירה קטנה, עם 14 בוכנות סביבה שידחסו את הנוזל. הבעיה שקשה לדחוס פלזמה אם אין לחץ מדויק מכל הצדדים כי היא מתעקמת ובורחת, אז צריך שהתזמון של הבוכה יהיה מאוד מדויק, ובשביל זה יש לנו מערכות שליטה, שלא היו קיימות עד לא מזמן, עם אלקטרוניקה חדשה ונחמדה".

לסיכום, לבארג' מציין שרוב האנשים חושבים שהיתוך לעולם לא יקרה, אבל למעשה, היתוך מתקרב מאוד. "אנחנו כמעט שם. המעבדות הגדולות הראו שהיתוך הוא בר עשיה, ועכשיו יש חברות קטנות שחושבות על זה ומחפשות את הדרך לעשות את זה יעיל כלכלית, מקווה שמישהו יפצח את האגוז הזה במהרה, ואולי זאת תהיה החברה שלי, ג'נרל פיוז'ן".

צפו בנאומו של מייקל לבארג' בועידת TED שנערכה בשנת 2014 בונקובר, קנדה: