טוקאמק EAST בסין חצה את מגבלת צפיפות הפלזמה מבלי להיכנס לאי־יציבות

מדענים העובדים עם מוליך העל טוקאמק הניסויי המתקדם של סין (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST) הצליחו להגיע למצב שחזו תאורטיקנים זה זמן רב, המכונה “משטר נטול מגבלת צפיפות”

המשטר נטול מגבלת צפיפות (density-free regime) הוא מצב שבו פלזמת ההיתוך נשארת יציבה גם בצפיפויות גבוהות בהרבה מן הגבולות המקובלים בניסויי טוקאמק (tokamak), מבלי להידרדר לאי־יציבויות אלימות שמפסיקות בדרך כלל את הפעולה. ההישג מסמן צעד חשוב בדרך לפתרון אחד האתגרים הפיזיקליים הגדולים בתחום אנרגיית ההיתוך. הממצאים פורסמו בכתב העת סיינס אדוונסס (Science Advances) ב־1 בינואר 2026.

איך דוחפים את הצפיפות מבלי “לשבור” את הטוקאמק?

את המחקר הובילו במשותף פרופ’ פינג ג’ו (Ping Zhu) מאוניברסיטת הואג’ונג למדע ולטכנולוגיה (Huazhong University of Science and Technology) ופרופ’ חבר נינג יאן (Ning Yan) ממכוני חפיי למדעי הפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים (Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences). באמצעות גישת הפעלה חדשה בצפיפות גבוהה שפותחה עבור EAST הראו החוקרים שניתן לדחוף את צפיפות הפלזמה הרבה מעבר לגבולות האמפיריים שהיו מקובלים במשך שנים, מבלי לעורר את חוסר היציבות החריף שבדרך כלל “מכבה” ניסויי טוקאמק.

מדוע צפיפות הפלזמה קריטית לביצועי היתוך?

היתוך גרעיני נתפס כדרך אפשרית לייצור אנרגיה נקייה ואמינה. בהיתוך דויטריום–טריטיום (deuterium–tritium) יש לחמם את הדלק לכ־13 קילו־אלקטרון־וולט (keV), כלומר בערך 150 מיליון קלווין, כדי להגיע לקצב תגובות מיטבי. בטמפרטורות קיצון כאלה, ההספק שמתקבל מן ההיתוך גדל ביחס לריבוע צפיפות הפלזמה. אלא שבמשך עשרות שנים הוגבלו ניסויי טוקאמק על-ידי “תקרת צפיפות”: חציית הגבול הזה מובילה בדרך כלל לשיבושים (disruptions) שפוגעים בכליאת הפלזמה ומאיימים על יציבות המתקן – ולכן מקשים מאוד להשיג ביצועי היתוך גבוהים יותר.

“ארגון עצמי פלזמה–דופן”: המסגרת התאורטית והאימות הניסויי

מסגרת תאורטית חדשה יותר, “ארגון עצמי פלזמה–דופן” (plasma-wall self-organization, PWSO), מציעה דרך אחרת להבין את מגבלות הצפיפות. את הרעיון הציעו לראשונה ד.פ. אסקנד (D.F. Escande) ועמיתיו מהמרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי (CNRS) ומאוניברסיטת אקס־מרסיי (Aix-Marseille University). לפי התאוריה, משטר נטול מגבלת צפיפות נעשה אפשרי כאשר הפלזמה ודפנות המתכת של הכור מגיעות לאיזון עדין, במיוחד במערכות שבהן האינטראקציה פלזמה–דופן נשלטת בעיקר על-ידי התזת חומר פיזיקלית (physical sputtering).

ניסויי EAST סיפקו לראשונה אישוש ניסויי לרעיון הזה. החוקרים שלטו בקפידה בלחץ גז הדלק בתחילת התהליך, והפעילו חימום בתהודת ציקלוטרון אלקטרונים (ECRH) כבר בשלב ההתנעה של כל פריקת פלזמה (plasma discharge). השליטה המוקדמת הזו סייעה “לכוון” את יחסי הגומלין בין הפלזמה לדפנות מהרגע הראשון. כתוצאה מכך הצטברות זיהומים והפסדי אנרגיה פחתו באופן ניכר, וצפיפות הפלזמה יכלה לעלות בהדרגה עד סוף שלב ההתנעה. בתנאים הללו נכנס EAST בהצלחה למשטר נטול מגבלת צפיפות שחזתה תאוריית PWSO, ושמר על פעולה יציבה גם בצפיפויות גבוהות בהרבה מן הגבולות המקובלים.

המשמעות: נתיב מעשי להתקרבות להצתה

התוצאות מספקות תובנות חדשות לגבי האופן שבו ניתן לעקוף את “מחסום הצפיפות” רב־השנים בהפעלת טוקאמקים, בדרך אל הצתה (ignition) של היתוך, כלומר מצב שבו תגובות ההיתוך מחזיקות את חום הפלזמה בעצמן.

“הממצאים מצביעים על מסלול מעשי וניתן להרחבה להארכת גבולות הצפיפות בטוקאמקים ובמתקני היתוך מן הדור הבא, שבהם הפלזמה ‘בוערת’,” אמר פרופ’ ג’ו.

פרופ’ חבר יאן הוסיף כי הצוות מתכנן ליישם את אותה שיטה בעת הפעלה במצב כליאה גבוה (high-confinement operation) ב־EAST בעתיד הקרוב, במטרה להגיע למשטר נטול מגבלת צפיפות גם בתנאי פלזמה בעלי ביצועים גבוהים יותר.

שאלות ותשובות

מהי מגבלת הצפיפות בטוקאמקים?

בניסויי טוקאמק קיימת “תקרת צפיפות” של הפלזמה. חציית הגבול הזה מובילה בדרך כלל לשיבושים שפוגעים בכליאת הפלזמה ומאיימים על יציבות המתקן.

מדוע חשוב להעלות את צפיפות הפלזמה?

בטמפרטורות של כ־150 מיליון קלווין, ההספק שמתקבל מן ההיתוך גדל ביחס לריבוע צפיפות הפלזמה. לכן צפיפות גבוהה יותר היא תנאי להשגת ביצועי היתוך גבוהים יותר.

כיצד הצליחו החוקרים להגיע לצפיפות גבוהה בטוקאמק EAST?

הם שלטו בקפידה בלחץ גז הדלק בתחילת התהליך והפעילו חימום בתהודת ציקלוטרון אלקטרונים כבר בשלב ההתנעה של הפלזמה. כך פחתו הצטברות הזיהומים והפסדי האנרגיה, והצפיפות יכלה לעלות בהדרגה.

מהי התאוריה של ארגון עצמי פלזמה–דופן?

לפי התאוריה, משטר נטול מגבלת צפיפות אפשרי כאשר הפלזמה ודפנות המתכת של הכור מגיעות לאיזון עדין. ניסויי EAST סיפקו לראשונה אישוש ניסויי לרעיון הזה.

מה מתכננים החוקרים בהמשך?

החוקרים מתכננים ליישם את אותה שיטה בעת הפעלת EAST במצב כליאה גבוה, במטרה להגיע למשטר נטול מגבלת צפיפות גם בפלזמה בעלת ביצועים גבוהים יותר.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען

• האם סוף סוף נעבור לאנרגיה הנקיה של היתוך גרעיני?
• מחשב קוונטי של IBM סייע לחשב כיצד טריטיום נקשר למלח מותך לכורי היתוך
• שיפור דפנות כורי ההיתוך הגרעיני – התקדמות לעבר פתרונות אנרגיה חדשים
• מדענים בארה"ב עשו צעד חשוב לקראת היתוך גרעיני מבוקר
• ניסוי סיני בהיתוך גרעיני