מדענים אמריקאים הכריזו על מה שהם כינו פריצת דרך גדולה במטרה חמקמקה מזמן של יצירת אנרגיה מהיתוך גרעיני.
משרד האנרגיה האמריקני אמר ב-13 בדצמבר 2022, כי לראשונה - ואחרי כמה עשורים של נסיונות - הצליחו מדענים להוציא מהתהליך יותר אנרגיה ממה שהיה עליהם להשקיע.
אבל עד כמה ההתפתחות משמעותית? ועד כמה רחוק החלום המיוחל של היתוך לספק אנרגיה בשפע ונקי? קרולין קורנץ, פרופסור חבר להנדסה גרעינית באוניברסיטת מישיגן שעבד במתקן שזה עתה שבר את שיא ההיתוך, עוזר להסביר את התוצאה החדשה הזו.
מה קרה בתא היתוך?
היתוך היא תגובה גרעינית המשלבת שני אטומים ליצירת אטום חדש אחד או יותר עם מסה כוללת מעט פחות. ההבדל במסה משתחרר כאנרגיה, כפי שמתואר במשוואה המפורסמת של איינשטיין, E = mc2 , כאשר אנרגיה שווה מסה כפול מהירות האור בריבוע. מכיוון שמהירות האור היא עצומה, המרת כמות זעירה של מסה לאנרגיה - כמו מה שקורה בהיתוך - מייצרת כמות עצומה דומה של אנרגיה.
חוקרים בממשלת ארה"ב מתקן הצתה לאומי בקליפורניה הדגימו, לראשונה, את מה שמכונה "הצתת היתוך". הצתה היא כאשר תגובת היתוך מייצרת יותר אנרגיה ממה שמוכנסת לתגובה ממקור חיצוני והופכת לעצמה.
הטכניקה ששימשה במתקן ההצתה הלאומי כללה ירי של 192 לייזרים לעבר א גלולת דלק בגודל 0.04 אינץ' (1 מ"מ). עשוי מדוטריום וטריטיום - שתי גרסאות של היסוד מימן עם נויטרונים נוספים - המונחים במיכל זהב. כאשר הלייזרים פוגעים במיכל, הם מייצרים קרני רנטגן המחממות ודוחסות את גלולת הדלק לכדי פי 20 מצפיפות העופרת ולמעלה מ-5 מיליון מעלות פרנהייט (3 מיליון צלזיוס) - חמה יותר בערך פי 100 מפני השטח של שמש. אם אתה יכול לשמור על תנאים אלה במשך זמן רב מספיק, ה דלק יתמזג וישחרר אנרגיה.
הדלק והמיכל מתאדים תוך כמה מיליארדיות השנייה במהלך הניסוי. החוקרים מקווים שהציוד שלהם שרד את החום ומדד במדויק את האנרגיה המשתחררת מתגובת ההיתוך.
אז מה הם השיגו?
כדי להעריך את הצלחתו של ניסוי היתוך, פיזיקאים בוחנים את היחס בין האנרגיה המשתחררת מתהליך ההיתוך לבין כמות האנרגיה בתוך הלייזרים. היחס הזה הוא שנקרא רווח.
כל דבר מעל רווח של אחד אומר שתהליך ההיתוך שיחרר יותר אנרגיה מאשר הלייזרים שסיפקו.
ב-5 בדצמבר 2022, מתקן ההצתה הלאומי ירה גלולה של דלק עם שני מיליון ג'אול של אנרגיית לייזר - בערך כמות הכוח הנדרשת כדי להפעיל מייבש שיער במשך 15 דקות - הכל הכיל בתוך כמה מיליארדיות השנייה. זה עורר תגובת היתוך ש שיחרר שלושה מיליון ג'אול. זהו רווח של כ-1.5, מנפץ את השיא הקודם של רווח של 0.7 שהושג על ידי המתקן באוגוסט 2021.
כמה גדולה העסקה התוצאה הזו?
אנרגיית היתוך היה "הגביע הקדוש" של הפקת אנרגיה עבור כמעט חצי מאה. בעוד שרווח של 1.5 הוא, אני מאמין, פריצת דרך מדעית היסטורית באמת, יש עוד דרך ארוכה לעבור עד שהיתוך יהיה מקור אנרגיה בר-קיימא.
בעוד אנרגיית הלייזר של 2 מיליון ג'ול הייתה פחותה מתפוקת ההיתוך של 3 מיליון ג'ול, היא לקחה את המתקן כמעט 300 מיליון ג'אול לייצר את הלייזרים בשימוש בניסוי זה. תוצאה זו הראתה שהצתת היתוך אפשרית, אך תידרש עבודה רבה כדי לשפר את היעילות עד לנקודה שבה היתוך יכול לספק החזר אנרגיה חיובי נטו כאשר לוקחים בחשבון את כל המערכת מקצה לקצה, לא רק אינטראקציה אחת בין הלייזרים לדלק.
מה צריך לשפר?
ישנם מספר חלקים בפאזל ההיתוך שמדענים משפרים בהתמדה במשך עשרות שנים כדי להפיק תוצאה זו, ועבודה נוספת יכולה להפוך את התהליך הזה ליעיל יותר.
ראשית, לייזרים היו רק הומצא בשנת 1960. כאשר ממשלת ארה"ב השלים את בניית מתקן ההצתה הלאומי ב-2009, זה היה מתקן הלייזר החזק ביותר בעולם, שיכול לספק מיליון ג'אול של אנרגיה למטרה. שני מיליון הג'אול שהיא מייצרת היום הם פי 50 יותר אנרגטיים מה הלייזר החזק הבא בכדור הארץ. לייזרים חזקים יותר ודרכים פחות עתירות אנרגיה לייצר אותם לייזרים חזקים יכולים לשפר מאוד את היעילות הכוללת של המערכת.
תנאי היתוך הם מאוד מאתגר לקיים, וכל חוסר שלמות קטן בקפסולה או בדלק יכול להגדיל את דרישת האנרגיה ולהפחית את היעילות. מדענים עשו התקדמות רבה להעביר בצורה יעילה יותר אנרגיה מהלייזר למיכל ו קרינת רנטגן מהמכל לקפסולת הדלק, אבל כרגע רק בערך 10 לאחוזי 30 מכלל אנרגיית הלייזר מועברת למיכל ולדלק.
לבסוף, בעוד שחלק אחד של הדלק, דאוטריום, הוא באופן טבעי בשפע במי ים, טריטיום הוא הרבה יותר נדיר. היתוך עצמו מייצר למעשה טריטיום, אז החוקרים מקווים לפתח דרכים לקצירת טריטיום זה ישירות. בינתיים יש שיטות אחרות זמינות להפקת הדלק הדרוש.
יהיה צורך להתגבר על מכשולים מדעיים, טכנולוגיים והנדסיים אלו ואחרים לפני שהיתוך יפיק חשמל לביתך. כמו כן, יהיה צורך לעשות עבודה כדי להוריד את העלות של תחנת כוח היתוך בהרבה מהמחיר 3.5 מיליארד דולר של מתקן ההצתה הלאומי. צעדים אלו ידרשו השקעה משמעותית הן מהממשל הפדרלי והן מהתעשייה הפרטית.
ראוי לציין שקיים מרוץ עולמי סביב היתוך, עם מעבדות רבות אחרות ברחבי העולם לעסוק בטכניקות שונות. אבל עם התוצאה החדשה של מתקן ההצתה הלאומי, העולם, לראשונה, ראה ראיות לכך חלום על היתוך הוא בר השגה.
מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.
תמונת אשראי: משרד האנרגיה האמריקאי/לורנס ליברמור המעבדה הלאומית
