כבר כמעט מאה שנים שמדענים שואבים השראה ממנגנון יצירת אנרגיה בכוכבים, שבו מתרחשת תגובת היתוך (פיוז'ן), על מנת ליצור את מקור האנרגיה האולטימטיבי בכדור הארץ. מהי אנרגיית פיוז'ן, למה היא נחשבת למקור האנרגיה האידיאלי, ובעיקר - למה היא תמיד נשארת במרחק 20 שנה ממימוש?

מאת מאיה צור

בשנות ה-20 של המאה הקודמת הצליחו פיזיקאים לראשונה להבין את המנגנון של יצירת אנרגיה בליבת כוכבים, ובפרט בשמש. על-פי מנגנון זה, אשר זכה לשם היתוך גרעיני (nuclear fusion), שני גרעינים אטומיים קטנים מתמזגים לגרעין אטומי יחיד גדול יותר. עבור גרעינים כבדים (כבדים יותר מברזל) תהליך פירוק הגרעין פולט אנרגיה (ומכאן מגיעה אנרגיית ביקוע גרעיני), ואילו עבור גרעינים קלים דווקא המיזוג הוא המוביל לפליטת אנרגיה, בתהליך המכונה פיוז'ן. דוגמה לתהליך פיוז'ן היא התרכבות של מימן מסוג דיאטריום ומימן מסוג טריטיום, שבתהליך המיזוג יוצרים הליום ופולטים אנרגיה.

להבנה הזו כוח אדיר: גרם אחד של דלק מימני יכול ליצור בתגובת פיוז'ן אנרגיה שוות ערך לזו שיש ב-8 טונות נפט. במילים אחרות, בתוך כוס מים יש כמות מימן שיכולה לייצר מספיק חשמל לצורכי האנרגיה של אדם יחיד למשך כל חייו, ומשמעות הדבר היא שאנרגיית פיוז'ן דורשת משאב זמין יחסית ומתחדש. בנוסף, התהליך אינו פולט גזי חממה כגון פחמן דו-חמצני, הוא מתיר שיירים רדיואקטיביים מופחתים שמתפרקים במהירות, הוא בטוח ביותר לתפעול, ולכן נחשב לפתרון האידיאלי לאנרגיה ידידותית לסביבה.

נשמע מושלם, אז... למה המחשב שלי לא רץ כבר על פיוז'ן?

כדי ששני הגרעינים יצליחו להתמזג, הם צריכים תחילה להתגבר על כוח הדחייה החשמלי שביניהם. דמיינו עמק עמוק השוכן בין שני הרים גבוהים. בתחתית העמק שני הגרעינים נפגשים ויכולים להתמזג. אבל תחילה עליהם לטפס על פסגת ההר, ורק משם יוכלו להתגלגל מטה. על מנת לטפס על ההר בהסתברות גבוהה (וכך להתגבר על כוח הדחייה החשמלי), יש לקיים תנאי תגובה קיצוניים: טמפרטורה גבוהה מ-100 מיליון מעלות צלזיוס יחד עם לחץ גבוה וזמן יציבות מתאים. הקושי המרכזי שמדענים נאבקים בו הוא כיצד ליצור את התנאים הללו, ועדיין לקבל כור שכמות האנרגיה המופקת בו תעלה על כמות האנרגיה המושקעת בהפעלתו.

האתגר האדיר של רתימת אנרגיית פיוז'ן לצורכי האדם מלווה אותנו כבר 80 שנה. כיום ישנן כמה עשרות חברות פרטיות ברחבי העולם שהעזו לתקוף את הבעיה, בנוסף למספר פרויקטים ממשלתיים וקבוצות מחקר אקדמיות. רוב השיטות הן מעולם הפלזמה – מצב צבירה "רביעי" שבו חלקיקים טעונים חשמלית חופשיים (חופשים מאטומים או מולקולות) כגון אלקטרונים נעים באופן המושפע מאוד משדות אלקטרומגנטיים. המטען החשמלי של הפלזמה מאפשר ביצוע מניפולציות באמצעות שדות מגנטיים, ליצירת צפיפויות ומהירויות גבוהות שיעלו בהתאם את ההסתברויות לתגובה בין החלקיקים.

בשנים האחרונות נעשות השקעות רבות בתחום שהובילו למספר פריצות דרך. אחד הפרויקטים הבולטים בתחום הוא ITER, הפרויקט הגדול בעולם שבו משתפות פעולה 35 מדינות בעלות של כ-25 מיליארד דולר. הניסוי הראשון בו צפוי להתרחש רק ב-2025. JET האנגלית, אחת המשתתפות בפרויקט, דיווחה בפברואר האחרון על שיא עולמי בכמות האנרגיה שנוצרה בתהליך פיוז'ן [1].

בעוד כך, NIF האמריקאית רשמה לפני כשנה שיא במדד הנצילות: 70% נצילות בייצור אנרגיה - כלומר כמעט שלושה רבעים מהאנרגיה שהושקעה בניסוי הפכה לאנרגיית תוצר [2]. קוראי האותיות הקטנות יבינו שאחוז זה הוא רק מתוך אנרגיית הלייזר שהוכנסה, ולא מכל המערך המורכב שדורש תהליך ההפקה ותחזוקת הכור. זוהי הצגה סטנדרטית של התוצאות שמראה שאנחנו קצת יותר רחוקים מהפקת אנרגיה טהורה מכפי שמוצג לעיתים בתקשורת.

שווה לעקוב גם אחר ההתקדמות של Commonwealth Fusion Systems, שמקורה במחקר שהתבצע ב-MIT. החברה בונה מכשיר דומה לזה של ITER, אך בזכות טכנולוגיה מתקדמת של מוליכי על בטמפרטורות גבוהות [3], הם הצליחו ליצור את המגנט החזק בעולם עם שדה מגנטי של 20 טסלה [4], עובדה שתסייע להם להפחית את מורכבות, גודל ועלות כור הפיוז'ן שלהם. פרט להם, חברות מבוססות כמו TAE Technologies ו-Helion עוסקות בטכניקה שונה לחלוטין לשליטה בפלזמה, המצריכה שדות מגנטיים קטנים יותר ועל כן מאפשרת שימוש במכשיר קומפקטי וזול יותר.

הפרויקטים העוסקים בפלזמה חולקים קשיים רבים שכיום אין להם פתרון: איך להחזיק את הפלזמה יציבה לאורך זמן מספיק כדי לכרות כמות אנרגיה משמעותית? כיצד למנוע מהפלזמה לפגוע בדפנות הכור וכך להפוך אותו ל"חד פעמי"? איך להתמודד עם תוצרי לוואי כמו ניוטרונים חופשיים המשתחררים בתגובה ועלולים להיות מסוכנים? והאם העלויות הגבוהות של ייצור יאפשרו בכלל הפקת אנרגיה בת השגה שתתחרה בשוק הקיים?

ראוי לציין כי חוץ מהפקת אנרגיה, תגובת הפיוז'ן נחקרת גם כדרך לסתור רדיואקטיביות של חומרים וכך להתמודד עם פסולת רדיואקטיבית [5]. מחקר זה מובל ביפן, שם קיימת מוטיבציה מיוחדת בשל השלכות האסון בפוקושימה. 

לסיכום, אין ספק כי פיוז'ן היא תגובה גרעינית חשובה שאוגרת הבטחות רבות לעתיד האנרגיה העולמי. יש עשייה ערה ומגוונת במטרה לרתום אותה להפקת אנרגיה שמישה, אך גם הרבה אתגרים. השנים הקרובות יהיו אקוטיות בלספק לנו רמזים האם האנושות תצליח במאמציה להפיק כור דמוי שמש מקומי על כדור הארץ. עד אז, הקפידו לכבות את האור כשאתם יוצאים מהבית.

מאיה צור היא בוגרת תואר שני בפיזיקה בתחום של אנרגיות גבוהות וחוקרת אלגוריתמיקה קוונטית. 

עריכה: שיר רוזנבלום-מן

למקורות ולקריאה נוספת:

[1] כתבה על ההישג של JET

[2] כתבה על ההישג של NIF

[3] פוסט של מדע גדול, בקטנה על מוליכי על

[4] על המגנטים המגניבים של CFS

[5] ערך בויקיפדיה על Nuclear transmutations