אחרי עשרות שנים של ניסויים - פריצת דרך חשובה בייצור אנרגיה נקייה: לראשונה בהיסטוריה, מדענים אמריקנים במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה הצליחו לייצר תגובת היתוך גרעיני, שהביאה לרווח נטו באנרגיה, כלומר שכמות האנרגיה שיוצרה בהיתוך גדולה מזו שהושקעה כדי לייצר אותה. כך הכריזה הערב (יום ג') שרת האנרגיה של ארצות הברית, ג'ניפר גרנהולם.
"זהו הישג מדעי גדול לאמריקה, מפני שהשקענו במחקר. מחר נמשיך לעבוד עבור עתיד ההיתוך הגרעיני", אמרה השרה האמריקנית במסיבת עיתונאים מיוחדת בוושינגטון, שבה הזכירה את השאיפה של הנשיא ג'ו ביידן למעבר מהיר לאנרגיה נקייה. "זהו ציון דרך עבור החוקרים והצוות במתקן הלאומי, שהקדישו את הקריירה שלהם לראות את ההיתוך הופך למציאות, ואבן דרך זו ללא ספק תעורר עוד יותר גילויים". כמות האנרגיה שיוצרה בניסוי, שנערך ביום שני בשבוע שעבר, גדולה בכ-20% מהאנרגיה שבה השתמשו המדענים. הניסוי נערך במתקן שגובהו כשל בניין בן 10 קומות.
היועצת המדעית של נשיא ארצות הברית, אראטי פרבקר, אמרה לאחר מכן כי ההיתוך המוצלח הוא "דוגמה אדירה למה שהתמדה יכולה להשיג", ו"פלא הנדסי מעבר לאמונה".
אז איך פעל הניסוי? בכתבה של ד"ר יובל רוזנברג ממכון דוידסון לחינוך מדעי, נכתב כי המדענים מיקדו 192 אלומות של הלייזר החזק בעולם על 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 הלייזר גרמו לפיצוץ שחימם ודחס מאוד את הדלק המימני, שעבר היתוך גרעיני מהיר להליום, תוך שבריר שניה.
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.
המתקן שבו התבצע ההיתוך הגרעיני בקליפורניה
(צילום: רויטרס)
אבל יש כאלה שמצצנים את ההתלהבות. כריקרדו בטי, פרופסור באוניברסיטת רוצ'סטר ומומחה לאיחוי לייזר, אמר כי ההודעה ההישג בהיתוך הגרעיני היא משמעותית. אבל הוא הוסיף שיש עוד דרך ארוכה לפני שהתוצאה תהיה יצור חשמל בר קיימא.
גם קים בודיל, מנהלת המעבדה הלאומית של לורנס ליברמור, אמרה שעדיין יש "משוכות משמעותיות" שצריך להתגבר עליהן בטכנולוגיית ההיתוך הגרעיני לפני שהמסחור יתאפשר. ב-CNN פורסם כי היא ציינה שההודעה החשוב היום מציינת רק אירוע היתוך אחד, ושכדי "לממש אנרגיית היתוך מסחרית" המדענים יצטרכו "לעשות הרבה הרבה דברים", כולל הפקת "הרבה אירועי הצתת היתוך בדקה" תוך כדי "התחזקות" מערכת מיוחדת שתאפשר זאת".
מה זה היתוך גרעיני?
ד״ר נעמה חריט יערי, פיזיקאית גרעין ממכון דוידסון לחינוך מדעי, הסבירה על ההיתוך הגרעיני: "כמעט 100 שנים המדענים מנסים לפתור את חידת השמש ולחקות ביעילות את התהליך שמתרחש בה. היתוך גרעיני הוא התהליך שבו גרעינים של אטומי מימן מתמזגים לאטומי הליום, מה שגורם לפליטה של אנרגיה בצורת אור וחום. עד כה הצליחה האנושות לחקות את התהליך רק באופן לא מבוקר, בפצצת מימן שבה האנרגיה משתחררת בצורה בלתי נשלטת".
ד"ר חריט יערי התייחסה ליתרונות שבהיתוך הגרעיני: "חיקוי מבוקר של התהליך יאפשר לספק אנרגיה נקייה לבית אחד למשך מאות שנים מכוס של מים - המשמעות היא פתרון בעיית האנרגיה של האנושות, ומשבר האקלים גם יחד". על הניסויים שנערכו עד היום, היא אמרה: "עד כה, כל קבוצות המחקר שעובדות על היתוך גרעיני השקיעו בתהליך כמות אנרגיה גדולה או שווה לכמות האנרגיה שייצרו".
5 צפייה בגלריה
לראשונה המתקן ייצר יותר אנרגיה ממה שהוכנסה אליו
(צילום: Jason Laurea/Lawrence Livermore National Laboratory, רויטרס)
על פריצת הדרך, שעליה הוכרז היום, היא אמרה: "זהו עוד צעד משמעותי לקראת פתרון בעיית האנרגיה העולמית, וכן בעיית הזיהום בדלקים ממקורות מאובנים שגורמת לפליטת גזי חממה ולזיהום אוויר. עברו כבר כמעט מאה שנים מאז שהמדע גילה את האנרגיה העצומה שטמונה במיזוג שני גרעינים של אטומים קלים, כמו מימן, הגדולה אף מזו שמתרחשת בעת ביקוע של גרעינים כבדים, כמו אורניום. בנוסף, הדלק לתגובת היתוך כזו, מימן, הוא הכי זמין שאפשר לקוות לו - את סוגי המימן המשמשים בתהליך אפשר להפיק בקלות ממי הים".
ד"ר חריט יערי הוסיפה כי "מאז ועד היום עובדים על חיקוי מבוקר של תהליך ההיתוך הגרעיני, המתרחש בשמש ובפצצות מימן, לטובת ייצור אנרגיה. עד היום, כמות האנרגיה שנדרשה כדי לחולל תהליך של היתוך גרעיני בניסויים הייתה גדולה מזו שהתקבלה בניסויים. לפני פחות משבועיים הצליחו חוקרים בפעם הראשונה לקבל בניסוי כזה 50 אחוז יותר אנרגיה מזו שהשקיעו ישירות בהיתוך. עם זאת, למרות פריצת הדרך המרגשת, הדרך עוד ארוכה מאוד לתחנות כוח מסחריות שיפעלו על היתוך מימן. לשם כך נצטרך להגיע לניסויים שמייצרים פי 100 ויותר אנרגיה ממה שמושקע בהם, לא פי 1.5".
המתקן בקליפורניה
בכתבה של אורי טייכמן ממכון דוידסון לחינוך מדעי, שפורסמה גם ב-ynet, נכתב על המתקן בקליפורניה שבו מבצעים את הניסויים. אחת השיטות הנחקרות כיום להיתוך גרעיני מבוקר היא בעזרת לייזרים, ו-NIF הוא המתקן הגדול בעולם מסוג זה.
הרעיון הוא להשתמש בלייזרים חזקים במיוחד ורבים מאוד, כ-200 במקרה של NIF. כשכולם פועלים בו זמנית, בפרק זמן של פחות ממיליונית השנייה, הם מרכזים אנרגיה על המטרה, כדור קטנטן המכיל כמה מיליגרמים של דלק להיתוך גרעיני. הרעיון הוא לבצע את ההיתוך במהירות רבה, כך שהתגובה תסתיים לפני שהדלק יספיק להתפזר ולהתקרר. אלא שגם במקרה זה, לא פשוט לרכז די אנרגיה כדי לגרום למימן לעבור היתוך גרעיני וברוב הניסויים רק חלק קטן יחסית מהאטומים אכן עוברים היתוך.
בניסוי שנעשה בספטמבר אשתקד נוצרה בהיתוך כ-70 אחוז מהאנרגיה שהושקעה בו – הישג השיא עד להיום עבור היתוך גרעיני. השיפור הושג בזכות שדרוג הלייזרים ומייצור המטרה באופן מוצלח יותר, מלאכה קשה הדורשת דיוק רב מאוד. בניסוי בשנה שעברה הושקעו 1.9 מגה-ג'ול בחימום המטרה, וההיתוך הגרעיני שחרר כ-1.35 מגה-ג'ול. אילו כל הדלק בקפסולה היה עובר היתוך גרעיני, דבר בלתי אפשרי מבחינה מעשית, היו משתחררים כמה מאות מגה-ג'ול - כמות אנרגיה השווה לכמה עשרות קילוגרמים, ואף יותר, של חומר נפץ קונבנציונלי, מקפסולה בקוטר שני מילימטר בלבד!
5 צפייה בגלריה
לספק לאטומי המימן אנרגיה גבוהה במיוחד. הדמיה של פגיעת הלייזרים בכדורית המטרה
(צילום: LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY)
כיום נתלית עיקר התקווה דווקא בשיטה אחרת להיתוך גרעיני, הנקראת טוקמאק, ובמתקן הגדול מסוגו שעדיין נמצא בבנייה בדרום צרפת, ITER, שבו משתמשים בשיטות אחרות לגמרי ליצירת היתוך גרעיני – חימום הדלק וכליאתו לזמן ממושך (יחסית) בעזרת שדות מגנטיים. המיזם, שבנייתו תושלם כנראה עד סוף העשור, צפוי להפיק יותר אנרגיה ממה שיצרוך, אם כי אנרגיה זו לא תנוצל להפקת חשמל אלא רק להוכחת ההיתכנות של השיטה. ייתכן בהחלט כי עוד בימי חיינו נזכה לראות את האנושות מתבססת על מקור אנרגיה לא מזהם, שאינו פולט גזי חממה וכמעט אינסופי, אך הדרך להגשמת היעד הזה עוד ארוכה ודורשת התגברות על מכשולים לא מעטים.
