פריצת הדרך בתוכנית הגרעין הסינית - ניסוי מוצלח בכור תרמו-גרעיני, מהווה נדבך נוסף בנסיונות האנושות למצוא תחליף אנרגיה זול ונקי. Agent Saimon, הכותב בבלוג "היעד: חלל" סוקר בהרחבה את משמעות הניסוי.
סוכנות הידיעות הסינית Xinhua מדווחת כי אתמול בצעו המדענים הסיניים את הניסוי הראשון בכור תרמו-גרעיני חדשני. הניסוי, שארך 3 שניות, עבר בהצלחה, והופק זרם חשמלי בעוצמה של 200 קילו-אמפר.
במה מדובר
מדובר על מתקן ניסיוני מתקדם בשם "טוקאמאק" עם שימוש במוליכות-על" (ר"ת באנגלית- EAST). זהו בעצם כור היתוך גרעיני לצורכי מחקר. אופן פעולתו שונה מאופן פעולתם של כורים גרעיניים רגילים, בהם מתרחש תהליך מבוקר של ביקוע גרעיני. בתהליך של ביקוע גרעיני אטום של יסוד כבד ולא יציב, בדרך כלל אורניום או פלוטוניום (למעשה רק איזוטופים מסוימים של יסודות אלה, כלומר גרעיני היסוד עם מספר מסוים של נויטרונים), מתפרקים לכמה גרעינים קטנים יותר וכתוצאה מכך נפלטת אנרגיה רבה. אם מדובר על נשק גרעיני, התהליך לא מבוקר ונוצרת תגובת שרשרת.
תהליך היתוך גרעיני פועל בצורה שונה. בבסיסו עומד העיקרון ששני גרעינים קטנים וקלי משקל יכולים להתאחד לגרעין של יסוד כבד יותר. בהיתוך נפלטת אנרגיה רבה הרבה יותר מאשר בתהליכי ביקוע, אך כדי שתגובה גרעינית זו תתרחש חייבים לעמוד בכמה תנאים. אחד התנאים המפורסמים ביותר הוא תנאי לואוסון (Lawson criterion). מבלי להיכנס לפיזיקה שמאחורי התהליכים, נובע מהם שכדי שהתגובה תהיה יציבה חייבים להשיג טמפרטורה ולחץ גבוהים מאוד. למשל בניסוי הנ"ל, אטומי דייטיריום וטריטיום (איזוטופים של מימן, שניתן לקבל מ"מים כבדים" וליתיום) הפכו לאטומי הליום-4 בטמפרטורה של מאה מליון מעלות צלסיוס.
דוגמא טובה לכור היתוך גרעיני טבעי היא השמש שלנו. הכוכבים מקבלים את האנרגיה מתהליכי היתוך גרעיני שמתרחשים בהם (התהליך הנ"ל שבו מימן הופך להליום). גם מטען נפץ תרמו-גרעיני, הידוע בשמו העממי יותר-פצצת מימן, מקבל את האנרגיה מתהליך של היתוך גרעיני. אבל בשני המקרים הלחץ והטמפרטורה הגבוהים מושגים בקלות. בכוכבים יש את הלחץ של הגז שגורם להתרחשות התגובות בגרעין, ובפצצת מימן משתמשים במטען גרעיני רגיל כנפץ.
וכאן בעצם טמונה הבעיה של שימוש בהיתוך גרעיני לקבל האנרגיה. להבדיל מכורים גרעיניים שמבוססים על ביקוע, בהיתוך אין פסולת רדיואקטיבית. את הדלק עבור התהליכים ניתן לקבל בצורה פשוטה יחסית- למשל את דייטריום ניתן לקבל ממים. אבל בשביל התגובה דרושים טמפרטורה ולחץ ששום חומר לא יוכל לשאת. הפתרון לכך הוא להחזיק את החומרים ע"י שדה מגנטי חזק. החומרים, אגב, נמצאים, בגלל התנאים, במצב צבירה פלזמה (גז מיונן).
כור ההיתוך הסיני. צילום : Xinhua
הפתרון ואופן יישומו
את הפתרון מיישמים ע"י מתקן גדול בצורת טורוס- צורה שמזכירה בייגלה עגול (אפשר גם לתאר אותו כגליל שקצוותיו חוברו, והוא יוצר צורה סגורה). עליו מותקנים מגנטים חזקים במיוחד שמחזיקים את הפלזמה החמה בפנים, בתא וואקום. הטורוס מותקן על עמודי מתכת כבדים. לבניית מגנטים חזקים אפשר להשתמש בתופעת מוליכות-העל המאפשרת יצירת אלקטרומגנטים בעלי שדה מגנטי חזק יותר.
מתקן כזה נקרא טוקאמאק (Tokamak)- ר"ת ברוסית של תא טורואידלי (בצורה של טורוס) בתוך סלילים מגנטיים. המושג נולד בשנות ה-50 כאשר מדענים רוסיים הציגו את הקונספט בפני עמיתיהם המערביים. הטוקאמאק הראשון הופעל בבריה"מ לקראת שנות השבעים של המאה הקודמת. ב-1982 נבנה טוקאמאק-7, מתקן ייחודי מבוסס על מוליכות-על שעיצב למעשה את כל הבאים אחריו.
EAST נמצא בעיר חפיי (Hefei) בירת המחוז אנהוי (Anhui) ופועל תחת חסותו של מכון פיזיקת פלזמה של האקדמיה הסינית למדעים. המתקן מהווה שדרוג של הטוקאמאק הסיני הראשון- HT-7 (ר"ת של Hefei Tokamak-7). המספר 7 אינו נבחר באקראי, הטוקאמאק הסיני נבנה בשיתוף פעולה צמוד עם רוסיה ב-1994, ומבוסס על טוקאמאק-7 הנ"ל. הפרויקט השאפתני של האקדמיה הסינית למדעים, שיצא בשנת 1998, כלל את שדרוגו המקיף של הטוקאמאק HT-7 שקיבל את השם HT-7U. הבנייה, שהושקעו בה, לפי הדיווח 25 מיליון דולרים, הסתיימה השנה, ואתמול נערך הניסוי המבצעי הראשון. [עוד על EAST במאמר המקצועי הזה. תמונות של HT-7 אפשר לראות כאן].
Xinhua מדווחת כי מנהל המכון שמנהל את EAST, לי ג'יאגאנג (Li Jiangang), אמר כי הוא מאוד מרוצה מתוצאות הניסוי, שמהווה לדבריו פריצת דרך במחקר של תהליכי היתוך גרעיני מבוקרים. "התוצאות של הניסוי מצביעות על כך שאנו מקדימים את המתחרים שלנו לפחות בעשור", אמר לי. "ההישגים שלנו יקדמו את החזון של אנרגיה נקייה וזמינה לכל האנושות". עוד הישג של סין הוא המתקן עצמו, שלטענתו זול יותר ופשוט יותר בבנייה מהמתחרים.
ה-ITER בצרפת. צילום: האתר הרישמי
לא רק בסין
הפרוייקט הסיני אינו יחיד במינו- בעולם כולו נבנו עשרות רבות של טוקאמאקים- אך רק חלק קטן מהם הוא בצרה ועוצמה הדרושים כדי לתמוך בתגובת היתוך גרעינית שיוכלו להפיק חשמל אפילו לכמה שניות רצופות. בשיא מחזיק הטוקאמאק היפני JT-60, שהצליח להחזיק את הפלאזמה 28.6 שניות. טוקאמאקים קטנים יותר משמשים למחקר צנוע יותר. בשנת 1994 אפילו איראן קנו טוקאמאק מתוצרת רוסית (ועוד אחד הם קנו מסין). אך שתי המתקנים אינם בעוצמה גבוהה ומשמשים רק לצורכי מחקר ולא יכולים להדליק תגובה תרמו-גרעינית. למרות שלפני כמה חודשים פרסמו האיראנים כי הגיעו להישגים בתחום של היתוך גרעיני, הייתה זו אי-הבנה או הטעיה מכוונת.
בימים אלה נבנה בצפון צרפת הטוקאמאק ITER (ר"ת של International Thermonuclear Experimental Reactor) שמטרתו לנסות ולהוכיח כי אכן ניתן לבנות תחנת כוח תרמו-גרעינית שתוכל לספק חשמל בצורה רציפה. כאשר ייבנה, זה יהיה הטוקאמאק בעל העוצמה הגדולה ביותר אי-פעם. בפרויקט הבינלאומי הזה יש, נכון להיום, 7 משתתפים: רוסיה, סין, האיחוד האירופי, יפן, הודו, דרום קוריאה וארה"ב, שיצאה ממנו ב-1999 אך חזרה בה ארבע שנים אחרי. הניסוי הראשון של ITER מתוכנן לשנת 2016.
פעם נשאל סר ג'ון קוקרופט, חתן פרס נובל לפיזיקה ומנהלו של הטוקאמאק הבריטי- מתי יופיע כור היתוך ראשון שיוכל לספק חשמל באופן תעשייתי? קוקרופט ענה "בעוד 20 שנה". כאשר נשאל את אותה השאלה שבע שנים אחרי, שוב ענה "בעוד 20 שנה." כמובן שהעיתונאים לא יכלו שלא להזכיר לו על תשובתו הקודמת, על מה שקוקרופט הגיב כך: "כפי שאתם רואים אינני משנה את דעתי".
הציפיות היום הם שהטוקאמקים שיספקו חשמל בצורה סדירה יופיעו תוך 30 עד 50 שנה. אבל חלק מהמדענים הרוסיים הבכירים, כמו גאורגיי אליסייב (Georgi A. Eliseev), המנהל את המרכז המדעי הרוסי "מכון קורצ'טוב", בטוחים כי מבחינה טכנית ומדעית ניתן היה להגיע לכך כבר בימינו והכל תלוי רק במידת הרצון וההשקעה. עד אז אנרגיה זמינה ונקייה תישאר בגדר חלום בשביל האנושות.
סמיון סמיונוב כותב בבלוג "היעד: חלל" באתר סיקור ממוקד.
