ידענים: אנרגיה גרעינית | פיסיקה קוונטית

מאת 17 בדצמבר 2013 19 תגובות

כדי ליצור היתוך גרעיני במעבדה, יש למצוא דרכים לקרב את האטומים זה לזה, באופן שיאפשר להתגבר על הדחייה ביניהם. שיטה אחת היא באמצעות מגנטים חזקים, שידחקו את האטומים זה אל זה. שיטה אחרת, הנראית כיום מבטיחה יותר עושה שימוש בלייזרים

אנרגיה נקיה, בטוחה וזולה. מערכת הלייזרים להיתוך מבוקר ב-NIF. צילום: national ignition facility NIF

אנרגיה נקיה, בטוחה וזולה. מערכת הלייזרים להיתוך מבוקר ב-NIF. צילום: national ignition facility NIF

אנרגיה גרעינית, לא מה שחשבתם

אין ספק שבעשורים הקרובים יצטרכו בני האדם לחולל שינוי ניכר בכל מה שקשור למקורות האנרגיה שלנו. דלקי המאובנים – פחם, נפט וגז טבעי – מתכלים והולכים בקצב מואץ. מקורות האנרגיה המתחדשים – כמו אנרגיה סולארית, רוח ואשדות מים – עדיין רחוקים מאוד מלענות על הביקוש הגובר. בטווח הנראה לעין, אין ספק שהמקור היחידי שיוכל לספק את כמויות החשמל האדירות שדורשת האנושות הוא האנרגיה הגרעינית. האנרגיה המופקת כיום בפצצות גרעין, וגם בתחנות כוח גרעיניות, מתקבלת מביקוע גרעיני – היא משתחררת כשאנו מפרקים גרעין של אטום כבד, אורניום או פלוטוניום, לגרעינים קטנים יותר. ואולם, את אותה אנרגיה, ואולי אף רבה יותר, אפשר להפיק גם בתהליך ההפוך – מיזוג גרעינים של אטומים קטנים לגרעין אחד גדול. התהליך הזה מתרחש דרך קבע בשמש, שם מותכים אטומי מימן ליצירת גרעיני הליום. הוא מתרחש גם בפצצת מימן, המשחררת אנרגיה גבוהה בהרבה מזו של פצצה גרעינית רגילה.

לתת כדי לקבל

הבעיה העיקרית בהיתוך הגרעיני, שכדי לקיימו דרושים תנאי טמפרטורה ולחץ גדולים מאוד. גרעיני מימן מורכבים מפרוטונים – חלקיקים כבדים בעלי מטען חיובי. כשמקרבים שני גרעינים כאלה המטענים החיוביים דוחים זה את זה, וצריך להשקיע אנרגיה רבה כדי להתגבר על הדחייה. החום והלחץ בליבת השמש מספקים אנרגיה כזו, ובפצצת מימן נוצרים התנאים בזכות תגובה ראשונית של ביקוע גרעיני רגיל. אבל כשזה קורה – אין לנו שום שליטה על תהליך ההיתוך של גרעיני המימן. אחד האתגרים הגדולים של המדע והטכנולוגיה כיום הוא ליצור תהליך מבוקר של היתוך גרעיני, שיהיה אפשר לרתום אותו לייצור חשמל. הבעיה היא, שעד כה, כל הנסיונות לייצר אנרגיה בתהליך של היתוך מבוקר, דרשו השקעת אנרגיה גדולה בהרבה מהתפוקה שהתקבלה מההיתוך עצמו. כעת, מחפשים המדענים דרכים לייעל את התהליך, ולהפכו לכדאי.

הצתה איטית

כדי ליצור היתוך גרעיני במעבדה, יש למצוא דרכים לקרב את האטומים זה לזה, באופן שיאפשר להתגבר על הדחייה ביניהם. שיטה אחת היא באמצעות מגנטים חזקים, שידחקו את האטומים זה אל זה. שיטה אחרת, הנראית כיום מבטיחה יותר עושה שימוש בלייזרים. את השיטה הזו מוביל המכון האמריקני הלאומי להצתה (National Ignition Facility – NIF). במתקני המכון מכוונים 192 אלומות לייזר רבות עוצמה, אל כדורית אחת זעירה, כמילימטר אחד קוטרה – המכילה אטומים של מימן. ליתר דיוק היא מכילה צורות ייחודיות של מימן, המכונות דאטוריום וטריטיום, שגרעיניהן כבדים יותר מן המימן הרגיל (אלה אטומי המימן שמהם מייצרים מים כבדים), וכוח הדחייה שלהם קטן יותר. כשהלייזרים מחממים את הכדורית לטמפרטורה גבוהה מאוד, נוצרים בתוכה תנאי לחץ המאפשרים את היתוך גרעיני המימן לגרעיני הליום. גרעיני ההליום נעים במהירות גבוהה סמוך לדופן הכדורית, ואת האנרגיה שלהם אפשר "לקצור" ולהמיר לחום. ואולם, אף על פי שהתהליך מתקיים, האנרגיה שמושקעת בלייזרים, גבוהה בהרבה מזו המתקבלת בסופו של דבר מהיתוך גרעיני בקנה מידה כזה.

צעד קטן

כל הקרניים מכוונות לכדורית אחת קטנה. צילום: national ignition facility NIF

כל הקרניים מכוונות לכדורית אחת קטנה. צילום: national ignition facility NIF

בעת האחרונה הגיעו מדעני ה-NIF להישג חשוב – גם אם ראשוני מאוד. בפעם הראשונה, התקבלה בתהליך אנרגיה גבוהה מזו שחיממה את הכדורית עצמה. עם זה יש לשים לב כי התפוקה היתה גבוהה במידה ניכרת מזו שהגיע אל הכדורית, אך עדיין קטנה עשרות מונים בהרבה מזו שהושקעה בתהליך כולו. "בפעם הראשונה הודגם שם חימום באמצעות חלקיקי אלפא (גרעיני הליום)", מסביר פרופ' אריה ציגלר מהאוניברסיטה העברית, שההתקדמות הוצגה בעת האחרונה בכינוס שארגן בירושלים. "ביום מן הימים יש לתהליך הזה פוטנציאל גבוה מאוד להגיע לתפוקת אנרגיה גבוהה. היתרון הגדול שלו, הוא השימוש בחלקיקים כמו דאוטריום וטריטיום שהם נפוצים מאוד, זולים יחסית, ולא נראה שהם עומדים להתכלות בעתיד הנראה לעין". לתהליך ההיתוך הגרעיני יש עוד כמה יתרונות גדולים על פני הביקוע, ובעיקר – הוא אינו צורך חומרים נדירים כמו אורניום ופלוטוניום, שתהליכי הפקתם והעשרתם יקרים מאוד, והוא פולט הרבה פחות קרינה רדיואקטיבית, לכן בטוח מאוד לשימוש. ואולם, גם האופטימיים ביותר מסכימים שעוד יידרשו שנים ארוכות לשכלול התהליך במידה כזו שיהיה יעיל מבחינה אנרגטית, וכדאי מבחינה כלכלית. אבל גם המסע הארוך הזה יורכב מצעדים קטנים, ולפחות אחד מהם נעשה בהתקדמות האחרונה.

19 תגובות ל “מדענים בארה"ב עשו צעד חשוב לקראת היתוך גרעיני מבוקר”

  1. safkan

    לגבי כור גרעיני קר.

    מקריאה מתעורר הרושם המוטעה שכור גרעיני יכול להיות רק אחד משני הסוגים: כור ביקוע fission או כור היתוך fussion. המצב שונה: תיאורטית יתכן כור גרעיני מסוג שיחלוף transmutaion.

    תהליך שיחלוף גרעיני הוא תהליך יזום שבו גרעיני אטומים עוברים שינוי איזוטופים (כלומר לאטום המקורי מתווספים נאוטרונים או מהאטום המקורי ניגרעים נאוטרונים). לכל גרעין אטום יש ערך אנרגטי שנקרא אנרגיית כבילה binding energy . שינוי איזוטופי משנה את אנרגיית הכבילה ואם אנרגיית הכבילה יורדת הרי הייתרה של אנרגיית הכבילה יכולה (בחלקה לפחות) להיות אנרגיה שהכור יוצר לשימוש המפעילים אותו.

    כור גרעיני קר מסוג אי-קאט של אנדראה רוסי פועל אולי באמצעות שיחלוף גרעיני. תחום זה עדיין לא ברור. רוב הסיכויים הם שהרבה זמן לפני שיהיה ברור מה קורה בכור אי-קאט ישתמשו בכור זה. כורי אי-קאט אמורים להמכר לציבור תוך שנה-שנתיים, אם לא יהיו עכובים לא צפויים.

  2. איל

    "החום והלחץ בליבת השמש מספקים אנרגיה כזו" – זה לא נכון. הטמפרטורה והלחץ במרכז השמש נמוכים מדי וההיתוך מתרחש בזכותו של אפקט מנהרה קוונטי. זו הסיבה שהשמש "בוערת לאט" ומשך חייה יותר מ 10 מיליארד שנים. בכוכבים שבהם החום והלחץ מספיק גבוהים תהליך ההיתוך הגרעיני מסתיים תוך כמה עשרות מליוני שנים בלבד.

  3. אהוד

    אסף

    איני מונע ממך להביע דעה, רק טענתי כי לפני שקובעים משהו בפסקנות כדי ללמוד קצת
    על התחום. חלק מהידיעות אותן אתה מצטט בבטחון הן ידיעות מוטעות והטענה הבסיסית
    כאלו הלייזר ב NIF זוכה לתמיכה כספית כי יש לו אפלקציות צבאיות היא מופרכת בעיקרה.
    אכן תכננו להשתמש בלייזרים בפרוייקט מלחמת הכוכבים אבל זה היה במטרה ליירט
    חלליות ולווינים בכל מקרה הפרוייקט הנ"ל נגנז וללייזרים ב NIF אין שום קשר לנושא זה. זה
    נכון שבאירופה קיים פרוייקט מתחרה איטר אבל לא נראה לי שניתן לקבוע בוודאות
    ועוד מבלי להבין בתחום איזהו הפורייקט העדיף, אבל כאמור כל אחד רשאי להביע את
    דעתו.

  4. יאצק

    חבר'ה, במקום לריב נסו לעבוד ביחד. כילאו את הגרעינים עם מגנט וחממו אותם עם לייזר, תקבלו אחלה פופקורן, מותך וקר.

  5. משתמש אנונימי (לא מזוהה)

    "ותראה מזה,למרות שאני לא עיתונאי ולא מדען.אני מרשה לעצמי להביע את דעתי" – מישהו כאן אסר עליך להביע דעתך? סך הכל אמר מי שאמר (שבמקרה מבין בפיזיקה יותר ממך):
    "בגלל הבעיתיות פרוייקטים שונים מנסים שיטות שונות ואין לקבוע באופן חד ונחרץ כי שיטה מסויימת עדיפה על רעותה". ועל כך אינך מסכים. (ואם 'תרשה' לי להביע את דעתי: אתה לא מבין בפיזיקה וקצת פלצן)

  6. אסף

    לאהוד ,לפרויקט איטר יש שותפים מכל המדינות המובילות בעולם.האמרקאים פרשו ולאחר שהבינו ,שישארו מאחור חזרו לפרויקט.ותראה מזה,למרות שאני לא עיתונאי ולא מדען.אני מרשה לעצמי להביע את דעתי ,כנראה שיש בישראל דמוקרטיה .

  7. ספקן

    לורם,

    הכוונה בהיתוך קר שהוא מבוצע בטמפרטורה נמוכה (פחות מ ם001 מעלות).

    אין כל מניעה ליצור מתקן אשר יגיע לטמפרטורה גבוהה בתוך טמפרטורת חדר, ובתוך מתקן זה תתבצע ההתכה, כך שהחום שיווצר יופנה להמשך התהליך…

  8. אהוד

    אסף

    מאחר ולטענתך אינך לא עיתונאי ולא מדען, לא הייתי ממהר במקומך לטעון טענות
    כמו "שיטת הלייזר נבדקת רק באמריקה ,ועוד לא זכתה להצלחה מרשימה.מחקר
    הלייזר זוכה לתיקצוב,בגלל ישום צבאי."
    כפי שציינתי בפניך הניסיונות לייצר אנרגיה על ידי היתוך הם ישנים ורעיונות שונים
    נתקלו בבעיות שונות, אי-יציבויות מגנטיות והידרודנמיות, חוסר יכולת למקד מספיק
    אנרגיה בנקודה על ידי לייזרים ואי-יציבויות. בגלל הבעיתיות פרוייקטים שונים מנסים שיטות
    שונות ואין לקבוע באופן חד ונחרץ כי שיטה מסויימת עדיפה על רעותה.
    איני זוכר מי זה היה שנשאל בראיון "מתי האנושות תייצר אנרגיה מהיתוך?"
    אבל הוא אחד ממובלי פרוייקט ההיתוך.עך כך הןא ענה "כאשר
    יהיה בכך צורך". כיום בהינתן מחירי הנפט ההשקעה בהיתוך כמקור אנרגיה
    אינה הכרחית. ברגע שיהיה צורך קיומי האנושות תשקיע בכך את המשאבים
    הדרושים (והכסף העצום) ואז סביר כי יתגברו על הבעיות.
    לגבי היתוך קר כפי שציינו כאן מדובר בפנטזיה ואין צורך להמשיך ולעסוק בכך.

  9. לורם איפסום

    היתוך קר מהווה אי היתכנות פיזיקלית. בערך קצת יותר ממסע במהירות העולה על מהירות האור.

    לעומת זאת, היתוך גרעיני חם הוא אפשרי ובעל יתרונות כאלו שאי אפשר להבין את גרירת הרגליים לקראת פיתוח הטכנולוגיה הזו. הייתי מצפה מממשלות שונות ברחבי העולם למאמץ בנוסח "פרויקט מנהטן" כדי לפתח את הטכנולוגיה.

  10. אסף

    בקשר לניסוי הצרפתי (ההפעלה במנגנון לייזר).כך נאמר ברשת ה'(בתוכנית השעה הבין לאומית ,לפני כמה שנים).בכל מקרה השימוש בלייזר בטכנולוגיה הצבאית ,דובר. ב"מלחמת הכוכבים"של רונלד רייגן .וידוע שסין יכולה לסנוור לוינים.כך שחקר הלייזר יקבל תקצוב צבאי.

  11. אסף

    מאחר ואני לא עיתונאי ולא מדען .אלה שוחר מדע פופולרי.חיפוש בגוגל יראה שכל הפרטים שכתבתי אמינים.החתוך גרעני(אין דבר כזה החתול קר).מתבצע באנגליה בדרום קוראה ועוד מכומות.בדרום קוראה הם הורידו את הטמ'פ כדי להקטין התנגדות המגנטים.בכל מיקרה כל יוזמת ההיתוך הגרעיני היתחילה ברוסיה .וכיום מתבצע בצרפת פרויקט ענק לבדיקת היכולת הכלכלית והטכנית של הטכנולוגיה הזו.

  12. ספקן

    אין ספק שהיתוך גרעיני קר יהווה מהפכה בכל תחומי האנושות.

    מעניין, כמה תקציבים משקיעות ממשלות לנושה זה ?

  13. אהוד

    אסף

    לא ידוע לי על תוצאות בשטח,… אשמח לקבל מידע על כך. אנרגיה מהיתוך גרעיני תמיד
    נמצאת 40 שנה בעתיד וכך גם היא נשארה במשך 50 השנה האחרונות. הצרפתים אכן
    ביצעו ניסוי גרעיני אבל עד כמה שידוע לי על כך אין לניסוי שום קשר ללייזרים, אשמח
    לקבל גם על כך מידע. כיום הניסוי בNIF הוא המתקדם ביותר בתחום עד כמה שידוע לי.
    המיקוד של הלייזרים לא היה אחיד אבל כיום נדמה לי שהם מסוגלים למקד כ-180 קרניי לייזר
    על נקודה בודדת..

  14. אסף

    כשהצרפתים ביצעו ניסוי אטומי(אולי מימן).(בתקופת שירק).ההפעלה היתה בעזרת מנגנון של לייזר.ולכן יש תשתית מחקרית,בהיתוך גרעיני בלייזר.הניסוי ההוא עורר את כעסם של האוסטרלים,הם פוצצו את זה באוקינוס מול שונית האלמוגים .

  15. אסף

    לאהוד,נכון שיש קושי מסויים ביציבות של הכוח המגנטי.אבל כבר יש תוצאות בשטח ,עם הפקת חשמל סימלית.אבל גם ביציבות של הלייזר (המיקוד לא אחיד)יש בעיות ,ובעולם רוב המחקר מתמקד בשמירת הפלזמה עם כוח מגנטי.

  16. י.א

    לורם.
    תמיד יש סיבה לחפש שיטות תחליפיות (אלא אם אתה מנכ"ל של חברת קידוח/זיקוק נפט, כפי שכתבת).
    זהו הכוח המניע את המדע ואת האנושות.

  17. לורם איפסום

    התהליך המגנטי כל-כך מוצלח, עד שאם יזדרזו לפתח את השיטה יזכו לראות את כור הכוח המסחרי הראשון הרחק בשנות הארבעים המאוחרות של המאה הזו, וזה בעולם שבו הבעייתיות של ניצול דלקים פוסיליים לשם הפקת אנרגיה ידועה ומוכרת לכל מי שהוא לא מנכ"ל של חברת נפט.

    באמת שאין סיבה לחפש שיטות תחליפיות.

  18. אהוד

    אסף,

    היתוך גרעיני לא מתבצע כלל בשיטת הכוח המגנטי. ראשית השדות המגנטיים רק מהווים
    פוטנציאל (מעין כלי הלוכד את הגז) הלוכד את הפלסמה החמה. את החימום מקבלים מזרמים
    חשמליים ומקרינה אלקטרומגנטית (גלי מיקרו). להיתוך בכליאה מגנטית ישנן בעיות סבוכות
    של אי-יציבות מגנטיות שאיתן כבר מסתבכים עשרות שנים ללא פתרון. היתוך באמצעות
    לייזר הוא כיוון הרבה יותר מבטיח כרגע.

  19. אסף

    מענין שהיתוך גרעיני מתבצע באופן קבוע,בשיטת הכוח המגנטי.והתהליך כל כך מוצלח שיש פרויקט בין לאומי לכור היתוך בצרפת(איטר).שיטת הלייזר נבדקת רק באמריקה ,ועוד לא זכתה להצלחה מרשימה.מחקר הלייזר זוכה לתיקצוב,בגלל ישום צבאי.

הוספת תגובה

  • (will not be published)