הם נקיים, ירוקים ויכולים ויכול לספק את כל צרכי האנרגיה של האנושות למשך מאות מיליוני שנים. אז למה אין עדיין כורי היתוך לייצור חשמל?

בעיית המחסור באנרגיה העסיקה את בני האדם מאז ומתמיד. כל מקור אנרגיה דורש השקעה ראשונית, למשל בחציבתו מהאדמה ובפיתוח הטכנולוגיה לשימוש בו, והוא גובה מחיר סביבתי. אחד המקורות המבטיחים להפקת אנרגיה הוא ההיתוך הגרעיני, שמסוגל להלכה לפתור את כל בעיות האנרגיה של האנושות.

למעשה אילו יכולנו לבנות כיום כורי היתוך, אין ספק שהיינו צריכים לעשות את זה: התהליך לא מלווה בייצור של חומרי לוואי רעילים, חומר הגלם הבסיסי שלו הוא מי ים, והתהליך יעיל עד כדי כך שהוא יוכל לספק את צורכי האנרגיה של האנושות למשך מיליארד השנים הבאות. הבעיה היא שנכון להיום פשוט איננו יודעים להתגבר על האתגרים הטכניים המשמעותיים של בניית כור היתוך מפיק אנרגיה – אבל אנחנו מחפשים במרץ אחרי פתרונות.

מגרעין לחשמל

פצצות האטום שהטילו האמריקאים על הירושימה ונגסקי ביפן בסוף מלחמת העולם השנייה היו המתקנים הגרעיניים היחידים שבהם השתמשה האנושות עד כה למלחמה. המאורעות הדרמטיים הללו נחרתו עמוק בזיכרון הציבורי וקעקעו בנו תמונות של הרס נרחב ומוות המונים שעולות בראשנו כשאנו שומעים על "אנרגיה גרעינית". האסונות שאירעו בכורים הגרעיניים בצ'רנוביל ובפוקושימה רק העצימו את הפחד.

פצצות האטום שהוטלו על יפן היו פצצות ביקוע גרעיני, והכורים היו כורי ביקוע. למעשה, כל הכורים הגרעיניים הפעילים כיום ומשמשים לצורכי מחקר, צבא והפקת חשמל, מבוססים על אותו עקרון פיזיקלי ששימש ליצירת הפצצות הראשונות ההן. לפי הערכת האיגוד הגרעיני הבינלאומי (WNA), מדי שנה מופקים ברחבי העולם כ-2,500 טרה-וואט שעה בכורי ביקוע גרעיניים – 11 אחוז מכלל תצרוכת החשמל העולמית השנתית.

כדי להבין את תהליכי הביקוע וההיתוך, עלינו להיזכר איך בנוי גרעין האטום. הגרעין הוא אזור קטן דמוי כדור באטום שסביבו חגים האלקטרונים, במעין עננים. בתוך הגרעין יש שני סוגי חלקיקים: פרוטונים וניטרונים, שההבדל המשמעותי ביותר ביניהם לצרכינו הוא שהפרוטון טעון במטען חשמלי חיובי ואילו לניטרון אין מטען חשמלי.

בשלב הזה מי שמבין מעט בחשמל אבל לא מכיר את שאר הסיפור אמור לחשוד בתמונה שציירנו כאן! איך ייתכן שפרוטונים טעונים חיובית יצטופפו יחד באזור כה קטן? הרי מטענים חיוביים דוחים מטענים חיוביים אחרים. התשובה טמונה בכוחות חזקים מאוד אך בעלי טווח קצר מאוד, שפועלים בגרעין ומחזיקים את הפרוטונים והניטרונים יחד. במרחק גדול הדחייה החשמלית בין המטענים אכן חזקה מאוד, אבל בטווחים הזעירים שקיימים בין הפרוטונים הכוחות הגרעיניים מחזיקים אותם יחד.

אטומים שונים נבדלים במספר הפרוטונים והניטרונים המרכיבים את הגרעין שלהם. ככל שיש יותר מהם בגרעין, הגרעין גדול יותר. עם זאת, בגלל הטווח הקצר של הכוחות הגרעיניים, ככל שהגרעין גדול יותר כך קטנה המשיכה שמחזיקה את הגרעין ומעניקה לו יציבות, לעומת הדחיפה החזקה החוצה עקב הדחייה בין מטענים חשמליים חיוביים. לכן אטומים גדולים יהיו פחות יציבים מאטומים קטנים וקלים יותר.

תהליך הביקוע הגרעיני מנצל את אי היציבות הזאת כדי להפריד את הגרעין לחלקים. זהו תהליך הביקוע: חומר אחד הופך לחומרים אחרים. בתהליך ההיפרדות משתחררת לסביבה אנרגיה רבה ואפשר להשתמש בה בין השאר כדי לחמם מים, ליצור קיטור ולסובב טורבינות. כך מפיקים חשמל בכורי ביקוע.

שם זה קורה כל הזמן: מקור האנרגיה של השמש הוא היתוך גרעיני של אטומי מימן להליום | צילום: Shutterstock
שם זה קורה כל הזמן: מקור האנרגיה של השמש הוא היתוך גרעיני של אטומי מימן להליום | צילום: Shutterstock

מביקוע להיתוך

מתהליך הביקוע אפשר להפיק הרבה מאוד חשמל. לדוגמה בביקוע אורניום, צפיפות האנרגיה של אורניום גדולה בערך פי 1.7 מיליון מבנזין רגיל למכוניות. כדי לנסות לתפוס את זה, בואו נדמיין שאנו רוצים להרתיח סיר מים לפסטה. אילו רצינו לחמם אותו בבנזין 95 אוקטן היינו צריכים לשרוף כמה ליטרים של דלק. לעומת זאת, אם תחנת הדלק השכונתית הייתה מוכרת אורניום מהסוג הנכון, ובמקום כירה ביתית היה לנו כור ביקוע גרעיני זעיר, יכולנו להסתפק בלא יותר ממיליגרם של אורניום לבישול הפסטה.

זה אכן נשמע יעיל, אך הביקוע הגרעיני מעורר בעיות רבות. למשל קשה מאוד לעבד אורניום לצורה מתאימה לביקוע גרעיני. בנוסף, אחרי הביקוע נשארים חומרים רדיואקטיביים מסוכנים שצריך לאחסן בצורה בטוחה למשך שנים רבות מאוד. וזה עוד לפני שהזכרנו את הסכנה הטמונה בפיתוח כלי נשק המבוססים על ביקוע גרעיני. בקיצור, צרה צרורה.

אם הגישה ההרסנית להפקת אנרגיה מהכוחות העצומים האגורים בגרעין התבררה כשיטה שימושית אך בעייתית, מה לגבי הגישה הבונה? כלומר למה לא ניקח פרוטונים ונרכיב מהם גרעין גדול יותר?

זהו בדיוק מנגנון ההיתוך, וכך בדיוק כוכבים (כולל השמש שלנו) מפיקים אנרגיה. כדי לייצר אנרגיה בהיתוך עלינו לקרב זה אל זה שני פרוטונים ולהתגבר על הדחייה העצומה שהם חשים זה כלפי זה בשל מטענם החשמלי החיובי, עד שהכוחות הגרעיניים ידביקו אותם יחד. אם נשקול את האובייקט המאוחד נגלה שמשקלו קטן מעט ממשקל הפרוטונים הנפרדים המרכיבים אותו, כלומר חלק מהמסה אבד בדרך.

אלברט איינשטיין לימד אותנו שיש שקילות בין מסה לאנרגיה. המשוואה המפורסמת E=MC2 אומרת שאנרגיה שווה למסה כפול מהירות האור בריבוע. היות שמהירות האור גבוהה מאוד ועומדת על כ-300 מיליון מטר בשנייה, מדובר במספר גדול מאוד. לכן אפילו מעט מסה שקולה להרבה מאוד אנרגיה, וכשהפרוטונים מתאחדים ומאבדים מעט מהמסה שלהם, נפלטת תוך כדי כך לסביבה הרבה מאוד אנרגיה. זהו לבו של תהליך ההיתוך.

כשמתגברים על הדחייה בין הפרוטונים, הפרשי המסה מספקים אנרגיה אדירה. הדמיה של היתוך מימן | מקור: Science Photo Library
כשמתגברים על הדחייה בין הפרוטונים, הפרשי המסה מספקים אנרגיה אדירה. הדמיה של היתוך מימן | מקור: Science Photo Library

הדרך לכור היתוך

בשמש התהליך הזה מתרחש באופן טבעי בעקבות הלחץ העצום בליבתה, שמאפשר לה להתיך יחד אטומי מימן וליצור מהם אטומי הליום. כדי ליצור היתוך באופן מלאכותי יש כמה דרכים להתגבר על הדחייה החשמלית החזקה, והדרך שהכי קל לדמיין מביניהן היא לגרום להם לעוף זה כלפי זה במהירות אדירה.

מהירות החלקיקים בגז היא התכונה שאנחנו מכירים גם כטמפרטורה, כך שכשאנחנו אומרים שאנחנו רוצים לגרום לחלקיקים לעוף זה כלפי זה במהירות גבוהה מאוד, אנחנו מתכוונים בעצם שאנחנו רוצים לחמם מאוד את גז הפרוטונים שלנו. כמה לחמם? בערך למאה מיליון מעלות צלזיוס. לא משהו שאפשר לעשות בתנור ביתי.

כשמחממים גז מימן לטמפרטורה כזאת, האלקטרונים עוזבים את הגרעין ונותרים רק הפרוטונים הבודדים. גז כזה נקרא גז מיונן או פלזמה. אם הצלחנו לייצר פלזמה בטמפרטורה כזאת, ניתקל מיד בבעיה הראשונה: אין שום מכל שיכול להחזיק אותה בתוכו. להפקת פצצות מימן זה לא מפריע כמובן, שכן ההרס אמור להתפזר בסביבה, אבל להפקת חשמל למטרות שלום זה לא מספיק.

הראשונים שהציעו פתרון לבעיה היו הפיזיקאים הסובייטים איגור טם (Tamm), אנדריי סחרוב (Sakharov) ואולג לברנטייב (Lavrentiev) בשנות ה-50 של המאה הקודמת. השלושה הציעו לנצל את העובדה שהחלקיקים בפלזמה טעונים חשמלית כדי לתכנן מערך של מגנטים שיכלאו אותה במבנה דמוי בייגל – "טורוס" בשפת המתמטיקאים. לכור ההיתוך הטורואידלי הזה הם קראו טוקמאק – קיצור ברוסית שמשמעותו "תא טורואידלי עם סלילים מגנטיים".

האתגרים המדעיים וההנדסיים בבנייה של כורים כאלה היו משמעותיים. קשה מאוד לכלוא את הפלזמה בצורה יציבה, קשה לחמם אותה וקשה לגרום לה להיות צפופה מספיק כדי שתספק קצב התנגשויות גבוה די הצורך להבטיח ייצור אנרגיה משמעותי. למרות הקשיים, קבוצות רבות ברחבי העולם עובדות היום על פיתוח מערכות טוקמאק או מערכות דומות.

האתגר: לשמור על פלזמה לוהטת בצפיפות גבוהה. מערכת טוקומק מבפנים | צילום: Science Photo Library
האתגר: לשמור על פלזמה לוהטת בצפיפות גבוהה. מערכת טוקומק מבפנים | צילום: Science Photo Library

דרושה: פריצת דרך

אחת המערכות המעניינות ביותר שנבנות בעולם כיום היא ITER – ראשי תיבות של International Thermonuclear Experimental Reactor. זאת המערכת הראשונה שצפויה לייצר יותר אנרגיה מתהליך ההיתוך מכפי שהיא צורכת לחימום הפלזמה וכליאתה.

הכור המחקרי הזה, ששוכן בדרום צרפת, נמצא בשלבי בנייה מתקדמים. 35 מדינות מעורבות במיזם הענק ועלויות הבניה הכוללות צפויות לעלות על שמונה מיליארד אירו. זו השקעה אדירה והתוכנית אפילו אינה מתעתדת לייצר חשמל, אלא רק להיות שלב טרומי בפיתוח תחנות חשמל אמיתיות המבוססות על היתוך. לפי הערכות האיחוד האירופי לא צפוי שיופק חשמל מבוסס היתוך לפני שנת 2050.

2050 עוד רחוקה  והמחיר גבוה. האם ההשקעה הניכרת בהפקת חשמל בהיתוך היא כדאית, או שמא עדיף להפנות את המאמצים לפיתוח אמצעי אנרגיה חליפיים, כגון פיתוח תאים סולריים יעילים יותר.

קבוצת חוקרים בהובלת דמיאן המפשיר (Hampshire) מהמרכז לפיזיקה של חומרים באוניברסיטת דורהם פרסמה לאחרונה מאמר בכתב העת Fusion Engineering and Design ובו בחינת הכדאיות הכלכלית של ההשקעה בבניית כורי היתוך להפקת חשמל. המחקר, שהתבצע בחסות תכנית האנרגיה של מועצת המחקר הבריטית, הסיק שקיימת הצדקה כלכלית ברורה להשקעה.

לפי החוקרים, הטכנולוגיה כיום בשלה לבניית הכורים, והם מציינים למשל את פיתוחם של מוליכי על בטמפרטורות גבוהות שהתגלו לפני כשלושים שנה, ואמורים להקל על ייצור השדות המגנטיים החזקים הנדרשים לכליאת הפלזמה בכורים. ואכן, קבוצה במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) בונה בימים אלה כור המשתמש במוליכי על כאלה.

מעבר לכדאיות הכלכלית, אין ספק שתהליך ההיתוך עדיף מבחינות רבות על פני הפקת חשמל באמצעות ביקוע. בהיתוך לא נפלטים לסביבה חומרים מזהמים, אין סכנה משמעותית שהטכנולוגיה תשמש לצרכים צבאיים וכמעט שאין סכנה תפעולית בכורים עצמם, למעט אחסנת הפלזמה.

היתוך, אם כן. האנושות אינה מכירה בימינו דרך טובה יותר לייצר כמות כה גדולה של אנרגיה, בשטח מצומצם ועם משאבים שמצויים בשפע בלתי נדלה למעשה – מים. כל מה שנדרש הוא כמה עשרות מיליארדי אירו וקצת סבלנות. בינתיים עלינו לדאוג לשמר את הקיים. וזכרו כי העיקרון הירוק החשוב ביותר הוא פשוט לצרוך פחות.

2 תגובות

  • דני

    מרתק!

    גל - תודה על המאמר המצויין. אפנה לכאן תלמידים שלי.
    ההמחשה של חימום פסטה באמצעות אנרגיה גרעינית פשוט מעולה.
    שלוש הערות קטנות לתוכן: (1) הייתי מציע להוסיף תרשימים של ביקוע והיתוך; (2) הייתי מזכיר גם את המאמץ האמריקאי בתחום ההיתוך באמצעות לייזרים (NIF); (3) מהמאמר עולה הרושם כי עדיין לא נבנו מערכות טוקמאק. בפועל, יש כמה עשרות מתקני טוקמאק פעילים בעולם (אם כי עדיין לא כאלה שמייצרים אנרגיה עודפת למול המושקעת בתהליך).
    שוב - תודה רבה!

  • אנונימי

    לייזרים היא גישה מעניינת

    לייזרים היא גישה מעניינת ביותר, אלא שיש לה כמה הבדלים: (בתוצאות, לא ביישום) כן יש לזה שימושים צבאיים (זה טוב גם לסימולציות של פצצות מימן למשל), זה כנראה פחות ישים (כי הלייזרים צריכים לעבור עוד התקדמות משמעותית בטכנולוגיה עד שיוכלו לספק יותר אנרגיה ממה שהם צורכים), ונכון להיום, הקפסולות שהם מדליקים עולות הרבה יותר ממחיר החשמל שהם מפיקות (כלומר, כל מנת דיאוטריום שנשרפת מגיעה בצורה ספציפית שיקרה יותר מהחשמל שניתן להפיק ממנה)