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.
