והמיזוג?

דיווחים בסוף השנה שעברה על בניית כור לסינתזה על ידי מומחים סינים נשמעו סנסציוניים (1). התקשורת הממלכתית של סין דיווחה כי מתקן HL-2M, הממוקם במרכז מחקר בצ'נגדו, יפעל ב-2020. טון הדיווחים בתקשורת הצביע על כך שסוגיית הגישה לאנרגיה הבלתי נדלית של היתוך תרמו-גרעיני נפתרה לנצח.

מבט מקרוב על הפרטים עוזר לצנן את האופטימיות.

נובי מכשיר מסוג טוקאמק, עם עיצוב מתקדם יותר מאלה המוכרים עד כה, אמור ליצור פלזמה עם טמפרטורות מעל 200 מיליון מעלות צלזיוס. כך הוכרז בהודעה לעיתונות של ראש המכון הדרום-מערבי לפיזיקה של תאגיד הגרעין הלאומי של סין דואן שיורו. המכשיר יספק תמיכה טכנית לסינים העובדים על הפרויקט כור ניסוי תרמו-גרעיני בינלאומי (ITER)כמו גם בנייה.

אז אני חושב שעדיין לא מדובר במהפכה אנרגטית, למרות שהיא נוצרה על ידי הסינים. כור KhL-2M עד כה מעט ידוע. איננו יודעים מהי התפוקה התרמית החזויה של הכור הזה או אילו רמות אנרגיה נדרשות כדי להפעיל בו תגובת היתוך גרעיני. אנחנו לא יודעים מה הדבר החשוב ביותר - האם כור ההיתוך הסיני הוא תכנון עם מאזן אנרגיה חיובי, או שמא זה סתם עוד כור היתוך ניסיוני המאפשר תגובת היתוך, אך במקביל דורש יותר אנרגיה ל"הצתה" מאשר אנרגיה שניתן לקבל כתוצאה מתגובות.

מאמץ בינלאומי

סין, יחד עם האיחוד האירופי, ארצות הברית, הודו, יפן, דרום קוריאה ורוסיה, חברות בתוכנית ITER. זהו הפרויקט היקר ביותר מבין פרויקטי המחקר הבינלאומיים הנוכחיים הממומנים על ידי המדינות שהוזכרו לעיל, בעלות של כ-20 מיליארד דולר. הוא נפתח כתוצאה משיתוף פעולה בין ממשלותיהם של מיכאיל גורבצ'וב ורונלד רייגן בתקופת המלחמה הקרה, ושנים רבות לאחר מכן נכלל באמנה שנחתמה על ידי כל המדינות הללו ב-2006.

2. באתר הבנייה של טוקאמק ITER

פרויקט ITER בקדראצ'ה שבדרום צרפת (2) מפתח את הטוקאמק הגדול בעולם, כלומר תא פלזמה שיש לאלף באמצעות שדה מגנטי רב עוצמה שנוצר על ידי אלקטרומגנטים. המצאה זו פותחה על ידי ברית המועצות בשנות ה-50 וה-60. מנהל פרוייקט, לבן קובלנץ, הודיע ​​כי על הארגון לקבל את "הפלזמה הראשונה" עד דצמבר 2025. ITER אמור לתמוך בתגובה תרמו-גרעינית עבור כ-1 איש בכל פעם. שניות, צובר כוח 500-1100 MW. לשם השוואה, הטוקמק הבריטי הגדול ביותר עד כה, מטוס סילון (טורוס אירופאי משותף), שומר על תגובה למשך כמה עשרות שניות וצובר כוח עד 16 MW. האנרגיה בכור הזה תשתחרר בצורה של חום - היא לא אמורה להיות מומרת לחשמל. אספקת כוח היתוך לרשת אינה באה בחשבון שכן הפרויקט מיועד למטרות מחקר בלבד. רק על בסיס ITER ייבנה הדור העתידי של כורים תרמו-גרעיניים, ויגיעו לכוח 3-4 אלף. MW.

הסיבה העיקרית לכך שתחנות כוח היתוך רגילות עדיין אינן קיימות (למרות למעלה משישים שנות מחקר מקיף ויקר) היא הקושי לשלוט ו"לנהל" את התנהגות הפלזמה. עם זאת, שנים של ניסויים הניבו תגליות רבות ערך, וכיום אנרגיית היתוך נראית קרובה מתמיד.

מוסיפים הליום-3, מערבבים ומחממים

ITER הוא המוקד העיקרי של חקר ההיתוך העולמי, אך מרכזי מחקר רבים, חברות ומעבדות צבאיות עובדים גם על פרויקטי היתוך אחרים החורגים מהגישה הקלאסית.

לדוגמה, נערך בשנים האחרונות על מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס ניסויים עם הגה-3 על טוקאמק נתן תוצאות מרגשות, כולל עלייה של פי עשרה באנרגיה יון פלזמה. מדענים שערכו ניסויים ב-C-Mod tokamak במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, יחד עם מומחים מבלגיה ובריטניה, פיתחו סוג חדש של דלק תרמו-גרעיני המכיל שלושה סוגים של יונים. קְבוּצָה Alcator C-Mod (3) ערכו מחקר עוד בספטמבר 2016, אך הנתונים מניסויים אלה נותחו רק לאחרונה, וחשפו עלייה עצומה באנרגיית הפלזמה. התוצאות היו כל כך מעודדות שהמדענים המנהלים את מעבדת ההיתוך הגדולה בעולם, JET בבריטניה, החליטו לחזור על הניסויים. אותה עלייה באנרגיה הושגה. תוצאות המחקר מתפרסמות בכתב העת Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod בפעולה

המפתח להגברת היעילות של דלק גרעיני היה הוספת כמויות עקבות של הליום-3, איזוטופ יציב של הליום, עם נויטרון אחד במקום שניים. הדלק הגרעיני ששימש בשיטת Alcator C הכיל בעבר רק שני סוגים של יונים, דאוטריום ומימן. דאוטריום, איזוטופ יציב של מימן עם נויטרון בגרעין שלו (בניגוד למימן ללא נויטרונים), מהווה כ-95% מהדלק. מדענים במרכז לחקר הפלזמה ובמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (PSFC) השתמשו בתהליך שנקרא חימום RF. האנטנות שליד הטוקמק משתמשות בתדר רדיו ספציפי כדי לעורר את החלקיקים, והגלים מכוילים כדי "לכוון" ליוני המימן. מכיוון שמימן מהווה חלק זעיר מהצפיפות הכוללת של הדלק, ריכוז רק חלק קטן מהיונים בחימום מאפשר להגיע לרמות אנרגיה קיצוניות. יתר על כן, יוני המימן המגורים עוברים ליוני הדאוטריום השוררים בתערובת, והחלקיקים הנוצרים בדרך זו נכנסים למעטפת החיצונית של הכור ומשחררים חום.

היעילות של תהליך זה עולה כאשר מוסיפים יוני הליום-3 לתערובת בכמות של פחות מ-1%. על ידי ריכוז כל חימום הרדיו על כמות קטנה של הליום-3, העלו המדענים את האנרגיה של היונים למגה-אלקטרון-וולט (MeV).

כל הקודם זוכה שווה ערך ברוסית: אכילת אורח מאוחר ועצם

בשנים האחרונות חלו התפתחויות רבות בעולם עבודת ההיתוך המבוקרת שהציתו מחדש את התקוות של המדענים ושל כולנו להגיע סוף סוף ל"גביע הקדוש" של האנרגיה.

איתותים טובים כוללים, בין היתר, תגליות ממעבדת הפיזיקה הפלזמה של פרינסטון (PPPL) של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE). גלי רדיו שימשו בהצלחה רבה כדי להפחית באופן משמעותי את מה שמכונה הפרעות פלזמה, שיכולות להיות מכריעות בתהליך של "הלבשת" תגובות תרמו-גרעיניות. אותו צוות מחקר במרץ 2019 דיווח על ניסוי ליתיום טוקאמק שבו הדפנות הפנימיות של כור הבדיקה צופו בליתיום, חומר מוכר היטב מסוללות הנפוצות בשימוש באלקטרוניקה. המדענים ציינו כי רירית הליתיום על קירות הכור סופגת חלקיקי פלזמה מפוזרים, ומונעת מהם להשתקף בחזרה לענן הפלזמה ולהפריע לתגובות תרמו-גרעיניות.

4. פרויקט ויזואליזציה TAE Technologies

חוקרים ממוסדות מדעיים בעלי מוניטין גדולים אפילו הפכו לאופטימיים זהירים בהצהרותיהם. לאחרונה חלה גם עלייה עצומה בעניין בטכניקות היתוך מבוקרות במגזר הפרטי. ב-2018, לוקהיד מרטין הכריזה על תוכנית לפיתוח אב טיפוס של כור היתוך קומפקטי (CFR) בעשור הקרוב. אם הטכנולוגיה עליה עובדת החברה תעבוד, מכשיר בגודל משאית יוכל לספק מספיק חשמל כדי לענות על הצרכים של מכשיר בגודל 100 רגל מרובע. תושבי העיר.

חברות ומרכזי מחקר אחרים מתחרים כדי לראות מי יכול לבנות את כור ההיתוך האמיתי הראשון, כולל TAE Technologies והמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס. אפילו ג'ף בזוס של אמזון וביל גייטס של מיקרוסופט התערבו לאחרונה בפרויקטים של מיזוגים. חדשות NBC ספרו לאחרונה שבע עשרה חברות קטנות של היתוך בלבד בארה"ב. סטארט-אפים כמו General Fusion או Commonwealth Fusion Systems מתמקדים בכורים קטנים יותר המבוססים על מוליכים חדשניים.

הרעיון של "היתוך קר" וחלופות לכורים גדולים, לא רק טוקאמקים, אלא גם מה שנקרא. כוכבים, עם עיצוב קצת שונה, שנבנה כולל בגרמניה. גם החיפוש אחר גישה אחרת נמשך. דוגמה לכך היא מכשיר הנקרא צביטה Z, נבנה על ידי מדענים מאוניברסיטת וושינגטון ומתואר באחד מהגליונות האחרונים של כתב העת Physics World. צביטה Z פועלת על ידי לכידה ודחיסה של הפלזמה בשדה מגנטי רב עוצמה. בניסוי ניתן היה לייצב את הפלזמה למשך 16 מיקרו-שניות, ותגובת ההיתוך נמשכה כשליש מהזמן הזה. ההדגמה הייתה אמורה להראות כי סינתזה בקנה מידה קטן אפשרי, אם כי למדענים רבים עדיין יש ספקות רציניים לגבי זה.

בתורו, הודות לתמיכה של גוגל ומשקיעי טכנולוגיה מתקדמת אחרים, חברת TAE Technologies מקליפורניה משתמשת בניסוי שונה מאשר אופייני לניסויי היתוך, תערובת דלק בורון, ששימשו לפיתוח כורים קטנים וזולים יותר, בתחילה לצורך מה שמכונה מנוע רקטות היתוך. אב טיפוס של כור היתוך גלילי (4) עם קרני נגד (CBFR), המחמם גז מימן ליצירת שתי טבעות פלזמה. הם מתחברים עם צרורות של חלקיקים אינרטיים ונשמרים במצב כזה, מה שאמור להגביר את האנרגיה והעמידות של הפלזמה.

סטארטאפ פיוז'ן נוסף General Fusion מהמחוז הקנדי של קולומביה הבריטית נהנה מתמיכתו של ג'ף בזוס עצמו. במילים פשוטות, הרעיון שלו הוא הזרקת פלזמה חמה לכדור של מתכת נוזלית (תערובת של ליתיום ועופרת) בתוך כדור פלדה, ולאחר מכן הפלזמה נדחסת על ידי בוכנות, בדומה למנוע דיזל. הלחץ שנוצר אמור להוביל להיתוך, שישחרר כמות עצומה של אנרגיה להנעת הטורבינות של סוג חדש של תחנת כוח. מייק דלאג', קצין טכנולוגיה ראשי בג'נרל פיוז'ן, אומר כי היתוך גרעיני מסחרי עשוי להופיע לראשונה בעוד עשר שנים.

5. איור מתוך פטנט תרמו-גרעיני של הצי האמריקאי.

לאחרונה, גם הצי האמריקאי הגיש פטנט על "מכשיר היתוך פלזמה". הפטנט מדבר על שדות מגנטיים ליצירת "רטט מואץ" (5). הרעיון הוא לבנות כורי היתוך קטנים מספיק כדי להיות ניידים. מיותר לציין שבקשת פטנט זו נתקלה בספקנות.