היתוך של אטומי מימן לאטום הליום הוא תהליך נקי ולא מזהם שחומר הגלם שלו – אטומי המימן – מצוי בשפע בכדור הארץ. לכן, באופן תיאורטי, אילו רק ידענו לבצע תהליך כזה בצורה מבוקרת (בניגוד לפצצת המימן שבה התהליך אינו מבוקר), וביעילות (כלומר אילו ידענו להפיק מהתהליך יותר אנרגיה מהכמות שהשקענו כדי להתחיל אותו), ההיתוך היה יכול לשמש מקור אנרגיה אידיאלי עבורנו. היינו מקבלים אנרגיה נקייה, זמינה ובטוחה.

אחד הקשיים בדרך לרתימת התהליך הזה להפקת אנרגיה הוא הטמפרטורה הגבוהה הנדרשת להתחלת תהליך ההיתוך. לשם המחשה, היתוך גרעיני מתרחש בטבע בליבותיהם של כוכבים, כגון השמש שלנו, בתנאים של חום ולחץ קיצוניים. זהו התהליך שמעניק לכוכבים את האנרגיה שלהם, והמקור של החום והאור שהם מפיקים. כל הניסיונות שהיו עד כה ליצור היתוך בטמפרטורות נמוכות, בתהליך המכונה "היתוך קר",  נכשלו או לא היו אמינים.

פרויקט ההצתה הלאומי

כדי להתגבר על הקשיים הללו עשו מדענים ניסיונות ליצור היתוך חם יעיל. אחד הניסיונות הבולטים לכך הינו פרויקט NIF – מתקן הצתה הלאומי (National Ignition Facility), שפועל במעבדת לייבמור בקליפורניה.

במסגרת המיזם מנסים ליצור היתוך כך: חומר הגלם, הדלק, הוא תערובת של שני איזוטופים של מימן – דאוטריום וטריטיום  שנדחסו לכדור קטן. כדי לחמם את הכדור מכוונים אליו 192 קרני לייזר רבות עוצמה שפוגעות בו בו-זמנית. הלייזרים פוגעים בקליפה החיצונית של הכדור עם אנרגיה רבה עד כדי כך שהיא היא הופכת לגז ולמעשה מתפוצצת ומתרחקת מכדור הדלק. לשם הבנת סדר הגודל של האנרגיה המדובר, כאשר כל הלייזרים מופעלים כמות האנרגיה שהם מפיקים שוות ערך לפחות לכל האנרגיה הנצרכת בכל ארה"ב באותו רגע.

בעקבות הפיצוץ הזה, החלק הפנימי של הכדור נדחס יותר ויותר. מאחר שהתהליך מהיר, נוצר גל הלם  מתקדם בכדור הדלק ודוחס עוד יותר נקודה קטנה במרכזו. אם התהליך יבוצע כהלכה, צפיפות החומר בנקודה הזו תהיה גבוהה מספיק, והטמפרטורה תהיה חמה מספיק, כדי לפתוח תהליך של היתוך.

בעקבות תהליך ההיתוך, חלקיקים עתירי אנרגיה מועפים החוצה ממרכז הכדור ומחממים עוד יותר אשר שארית הדלק בכדור. בשלב זה ייתכנו שתי אפשרויות – אם התהליך אינו יעיל מספיק, שאר חלקי כדור הדלק לא יתחממו מספיק כדי ליצור היתוך בכל רחבי הכדור והתהליך ייפסק. אם התהליך יעיל, מספיק אנרגיה תפוזר ברחבי הכדור ותתחיל תגובת שרשרת שבה אזורים נוספים בתוכו יתחממו וייווצר  בהם היתוך. ההיתוך הזה ימשיך לחמם את שאר הכדור עד שלבסוף המימן בכל נפח הכדור יותך להליום ותיפלט כמות אדירה של אנרגיה. מצב שכזה נקרא הצתה.

כל עוד לא מתרחשת הצתה, יש להמשיך לספק לדלק אנרגיה חיצונית באמצעות הלייזרים כדי לקיים את תהליך ההיתוך, לכן מדובר במצב לא יעיל שבו כמות האנרגיה המושקעת (אנרגיית הלייזרים) גדולה יותר מכמות האנרגיה המופקת. רק אם המדענים יצליחו להביא להצתה, כלומר למצב שבו תגובת ההיתוך מתרחשת כתגובת שרשרת עצמאית, אפשר יהיה להשתמש בתהליך להפקת אנרגיה – הרבה אנרגיה, נקייה ובטוחה.


כדור הדלק מונח במתקן מיוחד המגן עליו ומקרר אותו. שתי הזרועות מגינות על הכדור כל עוד הלייזרים אינם פעילים. כחמש שניות לפני הפעלת הלייזרים הזרועות נפתחות ומאפשרות ללייזרים לפגוע בכדור הדלק

המטרה הראשונית של פרויקט NIF הייתה להציג יכולת טכנולוגית לבצע הצתה כבר במהלך שנת 2012. עקב שורה של תקלות טכניות המטרה הזו לא הושגה והתעוררו ספקות אם הפרויקט יוכל להצליח.

אולם לאחרונה נראה שלא רק שהושגה התקדמות בפרויקט, אלא הגיעו למעשה לפריצת דרך ממשית שאפשרה לדווח על הישג חסר תקדים. מדעני הפרויקט מסרו שבניסוי שערכו באוגוסט 2013 הם הצליחו להפיק בתהליך ההיתוך כמות אנרגיה גדולה פי שלושה מאשר בניסויים קודמים. השיפור היה גדול מספיק כדי שכמות האנרגיה שהופקה מכדור הדלק תעלה על כמות האנרגיה שהכדור ספג מהלייזרים. לראשונה התהליך היה יעיל, לפחות במאזן האנרגיה הנקודתי של כדור הדלק עצמו.

אף שמקומית, בתוך הכדור, התהליך היה יעיל, חשוב להדגיש שכמות האנרגיה שהושקעה בהפעלת הלייזרים עדיין הייתה גדולה יותר מכמות האנרגיה שנספגת בכדור. חלק מהאנרגיה הולכת לאיבוד בדרך, כך שעדיין כמות האנרגיה שהושקעה בתהליך הייתה גדולה מהכמות שהופקה ממנו. בנוסף, למרות השיפור שהושג בניסוי האחרון עדיין לא הושג שלב ההצתה המבוקש.

אם כן, הדרך להשגת יכולת אמיתית להפיק אנרגיה ביעילות מתהליך ההיתוך עודנה ארוכה. עם זאת, לראשונה הודגם שהתהליך הזה אפשרי ושאכן אפשר להגיע למאזן אנרגיה חיובי בתוך חומר הדלק עצמו, שיפיק יותר אנרגיה מאנרגיית הלייזרים הנספגת בחומר הדלק. כעת אפשר רק לקוות שהמדענים בפרויקט יצליחו להתגבר מהר ככל האפשר על המכשולים העומדים בפניהם, כדי לאפשר יצירת כורים גרעיניים שיפיקו אנרגיה נקייה ובטוחה מתהליך ההיתוך של אטומי מימן.


מגברים של עוצמת קרני הלייזר בדרכן אל כדור הדלק | התמנה לקוחה מוויקיפדיה

ירון גרוס
דוקטורנט, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

8 תגובות

  • מנשה

    אנרגיה מוחלטת או יחסית

    12:36
    אנרגיה קינטית
    נניח לצורך השאלה שהיקום כולו מורכב רק מ 2 גופים בעלי מסות שונות שנעים אחד לקראת השני בריק לאורך קו ישר, ושאין בינהם כוחות משיכה או דחיה.
    המהירות היחסית ביניהם היא v = v2 - v1. לפי עיקרון השקילות של גלילאו לא ניתן לקבוע מי מהגופים נע ומי נח. ברצוני לדעת מהי האנרגיה הקינטית של המערכת. אם נניח שהגוף הכבד יותר במצב מנוחה אז האנרגיה הקינטית נובעת רק מהגוף הקל. לעומת זאת אם נניח שהגוף הקל במנוחה אז האנרגיה הקינטית של המערכת נובעת רק מהגוף הכבד. אנרגיות קינטיות אלו מתוארות לפי הנוסחה 0.5 * m * v * v ולכן הם שונות אחת מהשניה. אז מהי האנרגיה (כלומר האנרגיה ב ה הידיעה) של המערכת - לא ברור לי. נראה לכאורה שהאנרגיה הקינטית היא יחסית להחלטה שרירותית לגבי מי נע ומי נח.
    אודה לך מאד אם תוכל להסביר לי היכן אני טועה
    תודה ממשה

  • כהן אשר

    2 שאלות ורעיון חדש !

    1) עדיין ישנה בעיה , גם אם תהיה הצתה איזה כלי יכיל את האנרגיה ?
    2) מי מבטיח שההיתוך לא יהיה מהיר ובו זמנית, ואז נקבל פיצוץ אדיר.
    ( שווה ערך לאלפי טון TNT , למרות שלא תהיה תופעה של קרינה רדיואקטיבית)
    זה מספר שנים שאני חושב על כוון של דחיסת מימן נוזלי (שיהיה בדחיסה התחלתית המקסימלית שאפשר לעשות, אולי 200 אטמוספרות )
    לא אפרט, אבל הרעיון הכללי הוא דחיסה עי בוכנות מחומר קשה לא מתכתי,
    כמו שיש או חרסינה. הסיבה תובן בהמשך.
    ה"בוכנות" עצמן יופעלו בו זמנית ממש ע"י מטענים חלולים לכוון החומר הכלוא בכדור עם דפנות עבים מאד.
    גם הצילנדרים שבתוכם יהיו הבוכנות והמטענים הם בעלי דופן עבה
    הפעלת המיטענים תהיה אלקטרונית עם תזמון מדוייק.
    מבחינה טכנית אפשר ליבנות מתקן כזה .
    כמובן שבתוך הצילינדרים תהיה "מדרגה" שתעצור את הבוכנות במרחק הרצוי מהמטען החלול, וגם כדי שהלחץ הראשוני (200 אט') לא ימעך את המטענים.
    יכול להיות שהלחץ העצום "הפתאומי" מבחינת אטומי המימן יגרום להם
    להתמזג.
    כמובן שבמתקן אחר ניתן לשלב בגז המימן דיאוטוריום.
    וכן לנסות שילוב של מים כבדים, או כל רעיון אחר.
    ניסוי כזה חייב להתבצע במקום מדברי עם רדיוס ביטחון גדול, כי לא ניתן לדעת "מה יקרה".
    לא נתתי פרוט טכני מדוייק וגם לא תרשים או סקיצה כללית של המיתקן.

  • אברהם

    תוכל להרחיב

    מה ההבדל בין תהליך פצצת המימן לבין ההיתוך הגרעיני ומהם הסיבות העיקריות שבגללם התהליך שמתבצע בפצצת המימן לא יעיל לשימוש משק האנרגיה.
    ועוד שאלה:
    איך הסביבה הקרובה והרחוקה לא מושפעת מהטמפרטורה הקיצונית שבה (כמעט) מתבצע ההיתוך
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    פצצת מימן והיתוך גרעיני

    היתוך גרעיני קורה גם בפצצת מימן, ההבדל הוא בין המנגנונים שמתחילים את ההיתוך הנ"ל. במקרה של הניסוי המתואר בכתבה, האנרגיה הדרושה להתחלת הביקוע מגיעה מלייזרים רבים המכוונים לאותה נקודה. בפצצת מימן משתמשים בפצצת אטום אשר בעת פיצוצה משחררת אנרגיה רבה אשר משמשת להתחלת תהליך ההיתוך של אטומי המימן.
    הבעיה בפצצות מימן היא שברגע שהתחיל התהליך הראשוני - פיצוץ פצצת האטום, התהליך הוא בלתי נשלט. ישנם מספר פרויקטים בינלאומיים שמטרתם לייצר כור היתוך גרעיני (כמו למשל פרוייקט "איטר").

    לגבי השאלה השנייה,
    מערכת הניסוי נמצאת בואקום גבוה כך שהיא מבודדת מהסביבה.

  • דן

    הפקת האנרגיה

    לא הבנתי כמה דברים מרכזיים
    איך כדור האנרגיה נשאר באוויר ללא תמיכה
    איך לבסוף מופקת האנרגיה מהבערה שלו
    איך הוא מוזן בחומר בערה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    הפקת האנרגיה

    המטרה שבה פוגעות קרני הלייזר היא כדור חלול שעשוי ככל הנראה מפלסטיק אשר ממולא בדאוטריום וטריטיום שהם בעצם ה"דלק", הם איזוטופים של מימן אשר פולטים אנרגיה כאשר הם נדחסים והופכים למולקולות הליום.
    הכדור לא מרחף באוויר הוא מחובר למעמד שמחזיק אותו והלייזרים פוגעים בו מכל הכיוונים, מחממים אותו וכאשר אטומי המימן ניתכים נפלטת המון אנרגיה בצורה של קרינה. הקרינה הזאת נמדדת בגלאים הנמצאים קרוב למטרה ומכך ניתן להעריך את כמות האנרגיה שהשתחררה.
    לגבי שימוש באנרגיה הזאת - נצטרך לחכות ולראות..

  • אריק

    כל האנרגיה הנצרכת באותו הרגע

    נשמע מטורף, מאיפה האנרגיה הזו מגיעה? וכמה עלות זאת?

  • ירון גרוס

    אנרגיה אדירה - זמנים קצרים

    אני מניח שהתכוונת לאנרגיה המשמשת להפעלת הלייזרים. מקורה, במקורות אנרגיה הקיימים כיום בארה"ב, שלמיטב הבנתי הם שילוב בין תחנות כח פחמיות וכורים גרעיניים.
    חשוב לזכור שזמן הפעולה של הלייזרים קצר מאוד. מדובר בפרץ אנרגיה אדיר, אך ממוקד מאוד וקצר מאוד בזמן, כך שבסך הכל כמות האנרגיה בהחלט סופית, וניתנת לייצור על ידי תחנות הכח המקומיות.
    יש דוגמאות נוספות של ניסויים מדעיים הצורכים כמויות אנרגיה אדירות. כך לדוגמה, מאיץ החלקיקים המפורסם בשוויץ אשר שימש לגילוי חלקיק ההיגס, אינו פעיל בזמן החורף שכן אין לתחנות הכח המקומיות יכולת לספק מספיק אנרגיה הן לשם הפעלתו והן לשם חימום בתי התושבים בז'נבה הסמוכה.