פיזיקאים עובדים במתקן לייזר היתוך בארה"ב הכריזו על ראשון עולמי - ייצור של יותר אנרגיה מתגובת היתוך גרעיני מבוקרת ממה שהיה צריך כדי להפעיל את התגובה. הם השיגו זאת באמצעות 3.5 מיליארד דולר מתקן הצתה לאומי (NIF) - מערכת לייזרים בגודל אצטדיון כדורגל המבוססת ב-at המעבדה הלאומית לורנס ליברמור (LLNL) בקליפורניה. יריית הלייזר, שבוצעה ב-5 בדצמבר, שיחררה 3.15 מיליון ג'אול (MJ) של אנרגיה מגולה זעירה המכילה שני איזוטופים של מימן - בהשוואה ל-2.05 MJ שאותם הלייזרים העבירו למטרה.
נאם אתמול במסיבת עיתונאים בוושינגטון הבירה שאורגנה על ידי ה משרד האנרגיה כדי להכריז על ההישג, ציין מארק הרמן, ראש תחום פיזיקה ועיצוב נשק ב-LLNL, שלפריצת הדרך יש חשיבות כפולה. למרות שבאופן מיידי יותר היא אמורה לשפר את יכולתה של ארה"ב לפקח על מאגר הנשק הגרעיני שלה ללא ניסויים - המטרה העיקרית של NIF - היא עשויה, בטווח הארוך יותר, להוביל לצורת אנרגיה נקייה ובת קיימא חדשה. התוצאה, לדבריו, הותירה את עמיתיו "ממש שאובים".
עבור מייקל קמפבל מאוניברסיטת רוצ'סטר בארה"ב, התעלות על "פריצת איזון באנרגיה" - יעד של מדענים במשך עשרות שנים - מהווה "רגע של האחים רייט" לחקר היתוך. סטיבן רוז מאימפריאל קולג' בלונדון טוענים שהתוצאה "מראה באופן סופי שהיתוך אינרציאלי עובד בסולם מגה-ג'ול".
'משהו גדול'
NIF מפעיל תגובות היתוך על ידי כיוון של כמעט 200 קרני לייזר בעלות עוצמה גבוהה אל החלק הפנימי של גליל מתכת חלול באורך 1 ס"מ. קרני הרנטגן האינטנסיביות שנוצרות בתהליך מתכנסות לקפסולה כדורית בקוטר 2 מ"מ המונחת באמצע הגליל המכילה דאוטריום וטריטיום. כשהחלק החיצוני של הקפסולה מתפוצץ, הדאוטריום והטריטיום נאלצים פנימה ולרגע קצר חווים לחצים וטמפרטורות עצומים - גבוהים מספיק כדי שהגרעינים יתגברו על הדחייה ההדדית שלהם והתמזגו, ויניבו חום, גרעיני הליום ונייטרונים.
לאחר שהפעילו את ה-NIF ב-2009, חוקרים שיערו במקור להגיע לאיזון (או "הצתה", כפי שמכונה לרוב אבן הדרך) שלוש שנים מאוחר יותר. אבל בעיות שנגרמו מחוסר יציבות בפלזמה שנוצרה במהלך היתוך ואסימטריות בהתפרצויות הקפסולות הגבילו את תפוקת ההיתוך של המתקן.
זה כבר 10 שנים של פתרון בעיות בשלבים כדי להגיע לנקודה הזו
הוריקן עומר
זה לקח עד תחילת 2021 עד שמדענים הבינו את ההתפרצויות במידה מספקת כדי שיוכלו ליצור "פלזמה בוערת" וליצור יותר חום מגרעיני ההליום ממה שסופק על ידי הלייזר. ואז מאוחר יותר באותה שנה הם סוף סוף השיגו תגובת היתוך מקיימת עצמית שבה החום שנוצר עקף הפסדים עקב קירור - והשיג תפוקת אנרגיה של 1.37 MJ.
הפיזיקאית של LLNL אנני קריצ'ר אומרת שהתוצאה האחרונה הושגה על ידי הגדלת מעט אנרגיית הלייזר - עלייה של כ-8% בהשוואה ל-1.92 MJ שהופעל בשנה שעברה - תוך הפיכת הקפסולות לקצת יותר עבות, ולכן מעט יותר עמידות בפני פגמים. בנוסף, הם שיפרו את סימטריית ההתפרקות על ידי העברת אנרגיה בין קרני לייזר במהלך תהליך ההיתוך.
עמיתו של קריצ'ר, אלכס זילסטרה, ציין שהזריקה שוברת השיא נעשתה קצת אחרי 1:5 שעון מקומי ב-XNUMX בדצמבר. הזריקה יצרה כמויות עצומות של נויטרונים, מה שמרמז ש"משהו גדול קרה", כפי שניסח זאת מנהל המעבדה קים בודיל. עם זאת, מוסיף בודיל, בוצעו המון מדידות אחרות כדי לאשר את ההובלה חסרת התקדים, כאשר צוות של מומחים בלתי תלויים הובא לבדיקת עמיתים לתוצאות לפני שהוכרזו אתמול.
'לוג' בן עשור
לדברי עומר הוריקן, המדען הראשי של תוכנית ההיתוך של ליברמור, לא היה ספק שנקודת האיזון תושג בהתחשב בתצפית פלזמה בוערת לפני כמה שנים. השאלה היחידה עבורו הייתה מתי בדיוק יתרחש ציון הדרך. "זה כבר 10 שנים של פתרון בעיות בשלבים כדי להגיע לנקודה הזו", אמר עולם הפיזיקה. "עשר שנים מרגישות ארוכות אבל במציאות אני חושב שזה זמן קצר יחסית לאתגר מדעי כל כך קשה".
אבן דרך היתוך לייזר של מתקן ההצתה הלאומי מציתה ויכוח
לגבי המקום שבו התוצאה האחרונה משאירה היתוך אינרציאלי בהשוואה לתכנית מתחרה המסתמכת על מגנטים שיכילו פלזמה לפרקי זמן ארוכים יחסית (כפי שינוצל ב-ITER בצרפת), תמי מא של ליברמור אומרת שלשתי הגישות יש "יתרונות ויתרונות" חסרונות". אמנם הכליאה המגנטית עדיין לא השיגה איזון, היא אומרת שהיא מתקדמת יותר בכל הנוגע לפיתוח טכנולוגי. ואכן, היא מציינת ש-NIF לא תוכננה להדגים אנרגיית היתוך מעשית - צורכת כפי שהיא צורכת כ-300 MJ של חשמל עבור כל זריקת לייזר של 2 MJ.
גם מא וגם קמפבל מאמינים שיש הרבה מקום לשיפור. בעוד שהטכנולוגיה של NIF מתקופת שנות ה-1990 יעילה רק ב-0.5%, קמפבל אומר שלייזרים מודרניים יכולים להגיע ל-20%. בשילוב עם שיפורים נוספים לרווח האנרגיה על היעד, הוא טוען שהיתוך אינרציאלי יכול להפוך למציאות מסחרית. אבל הוא מעריך שנקודה זו עדיין צפויה בעוד עשרות שנים, כאשר תחילה יש צורך להתגבר על "אתגרים רבים".
