האם לאנרגיה תרמו-גרעינית יש עתיד?

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

במשך יותר מחצי מאה מנסים מדענים לבנות מכונה על פני כדור הארץ, שבה, כמו במעיים של כוכבים, מתרחשת תגובה תרמו-גרעינית. הטכנולוגיה של היתוך תרמו-גרעיני מבוקר מבטיחה לאנושות מקור כמעט בלתי נדלה של אנרגיה נקייה. מדענים סובייטים היו במקור הטכנולוגיה הזו - וכעת רוסיה עוזרת לבנות את כור ההיתוך הגדול בעולם.

חלקי הגרעין של האטום מוחזקים יחד על ידי כוח אדיר. ישנן שתי דרכים לשחרר אותו. השיטה הראשונה היא להשתמש באנרגיית הביקוע של גרעינים כבדים גדולים מהקצה הרחוק ביותר של הטבלה המחזורית: אורניום, פלוטוניום. בכל תחנות הכוח הגרעיניות על פני כדור הארץ, מקור האנרגיה הוא בדיוק ריקבון של גרעינים כבדים.

אבל יש גם דרך שנייה לשחרר את האנרגיה של האטום: לא לחלק, אלא להיפך, לשלב את הגרעינים. בעת מיזוג, חלקם משחררים אפילו יותר אנרגיה מאשר גרעיני אורניום בקיע. ככל שהגרעין קל יותר, כך תשתחרר יותר אנרגיה במהלך היתוך (כמו שאומרים, היתוך), ולכן הדרך היעילה ביותר לקבל את האנרגיה של היתוך גרעיני היא לאלץ את הגרעינים של היסוד הקל ביותר - מימן - והאיזוטופים שלו להתמזג.

כוכב יד: מקצוענים מוצקים

היתוך גרעיני התגלה בשנות ה-30 על ידי חקר התהליכים המתרחשים בפנים של כוכבים. התברר שבתוך כל שמש מתרחשות תגובות היתוך גרעיני, ואור וחום הם תוצריה. ברגע שהדבר התברר, מדענים חשבו כיצד לחזור על מה שקורה בבטן השמש על פני כדור הארץ. בהשוואה לכל מקורות האנרגיה המוכרים, ל"שמש היד" יש מספר יתרונות שאין עליהם עוררין.

ראשית, מימן רגיל משמש כדלק שלו, שמאגריו על פני כדור הארץ יחזיקו מעמד אלפי שנים רבות. גם אם לוקחים בחשבון את העובדה שהתגובה לא דורשת את האיזוטופ הנפוץ ביותר, דאוטריום, מספיקה כוס מים כדי לספק לעיר קטנה חשמל למשך שבוע. שנית, בניגוד לשריפת פחמימנים, תגובת ההיתוך הגרעיני אינה מייצרת מוצרים רעילים - רק הגז הנייטרלי הליום.

היתרונות של אנרגיית היתוך

אספקת דלק כמעט בלתי מוגבלת.בכור היתוך, איזוטופי מימן - דאוטריום וטריטיום - פועלים כדלק; אתה יכול גם להשתמש באיזוטופ הליום-3. יש הרבה דאוטריום במי ים - ניתן להשיג אותו באלקטרוליזה קונבנציונלית, ועתודותיו באוקיינוס העולמי יחזיקו מעמד כ-300 מיליון שנה לפי הדרישה הנוכחית של האנושות לאנרגיה.

יש הרבה פחות טריטיום בטבע, הוא מיוצר באופן מלאכותי בכורים גרעיניים - אבל צריך מעט מאוד לתגובה תרמו-גרעינית. אין כמעט הליום-3 בכדור הארץ, אבל יש הרבה באדמת הירח. אם מתישהו יהיה לנו כוח תרמו-גרעיני, כנראה שניתן יהיה לטוס לירח כדי לקבל דלק עבורו.

אין פיצוצים.נדרשת הרבה אנרגיה כדי ליצור ולתחזק תגובה תרמו-גרעינית. ברגע שאספקת האנרגיה נפסקת, התגובה נפסקת, והפלזמה המחוממת למאות מיליוני מעלות מפסיקה להתקיים. לכן, קשה יותר להפעיל כור היתוך מאשר לכבות.

רדיואקטיביות נמוכה.תגובה תרמו-גרעינית מייצרת שטף של נויטרונים הנפלטים מהמלכודת המגנטית ומושקעים על דפנות תא הוואקום, מה שהופך אותו לרדיואקטיבי. על ידי יצירת "שמיכה" (שמיכה) מיוחדת סביב היקף הפלזמה, מאיטה נויטרונים, ניתן להגן לחלוטין על החלל סביב הכור. השמיכה עצמה הופכת בהכרח לרדיואקטיבית עם הזמן, אך לא לאורך זמן. נותנים לו לנוח 20-30 שנה, אתה יכול שוב לקבל חומר עם קרינת רקע טבעית.

אין דליפות דלק.תמיד קיים סיכון לדליפת דלק, אבל כור היתוך דורש כל כך מעט דלק שאפילו דליפה מלאה לא מאיימת על הסביבה. השקת ITER, למשל, תדרוש רק כ-3 ק ג של טריטיום וקצת יותר דאוטריום. אפילו בתרחיש הגרוע ביותר, כמות זו של איזוטופים רדיואקטיביים תתפוגג במהירות במים ובאוויר ולא תגרום נזק לאיש.

אין נשק.כור תרמו-גרעיני אינו מייצר חומרים שניתן להשתמש בהם לייצור נשק אטומי. לכן, אין סכנה שהתפשטות האנרגיה התרמו-גרעינית תוביל למירוץ גרעיני.

איך להדליק את "השמש המלאכותית", באופן כללי, התברר כבר בשנות החמישים של המאה הקודמת. משני צידי האוקיינוס בוצעו חישובים שקבעו את הפרמטרים העיקריים של תגובת היתוך גרעיני מבוקרת. זה אמור להתרחש בטמפרטורה עצומה של מאות מיליוני מעלות: בתנאים כאלה, אלקטרונים נתלשים מהגרעינים שלהם. לכן, תגובה זו נקראת גם היתוך תרמו-גרעיני. גרעינים חשופים, המתנגשים זה בזה במהירות מסחררת, מתגברים על דחיית הקולומב ומתמזגים.

בעיות ופתרונות

ההתלהבות של העשורים הראשונים התרסקה לתוך המורכבות המדהימה של המשימה. שיגור היתוך תרמו-גרעיני התברר כקל יחסית - אם נעשה בצורה של פיצוץ. אטולים באוקיינוס השקט ואתרי ניסוי סובייטיים בסמיפלטינסק ובנוביה זמליה חוו את מלוא העוצמה של תגובה תרמו-גרעינית כבר בעשור הראשון שלאחר המלחמה.

אבל השימוש בכוח הזה, למעט הרס, הוא הרבה יותר קשה מפיצוץ מטען תרמו-גרעיני. כדי להשתמש באנרגיה תרמו-גרעינית לייצור חשמל, התגובה חייבת להתבצע בצורה מבוקרת כך שאנרגיה משתחררת במנות קטנות.

איך לעשות את זה? הסביבה שבה מתרחשת תגובה תרמו-גרעינית נקראת פלזמה. הוא דומה לגז, רק שבניגוד לגז רגיל הוא מורכב מחלקיקים טעונים. וניתן לשלוט בהתנהגותם של חלקיקים טעונים באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים.

לכן, בצורתו הכללית ביותר, כור תרמו-גרעיני הוא קריש פלזמה הכלוא במוליכים ובמגנטים. הם מונעים מהפלזמה לברוח, ובזמן שהם עושים זאת, גרעיני אטום מתמזגים בתוך הפלזמה, וכתוצאה מכך משתחררת אנרגיה. את האנרגיה הזו יש להוציא מהכור, להשתמש בו לחימום נוזל הקירור – ולהשיג חשמל.

מלכודות ודליפות

הפלזמה התבררה כחומר הגחמני ביותר שאנשים על פני כדור הארץ נאלצו להתמודד איתו. בכל פעם שמדענים מצאו דרך לחסום סוג אחד של דליפת פלזמה, התגלה אחת חדשה. כל המחצית השנייה של המאה ה-20 הושקעה בלימוד לשמור את הפלזמה בתוך הכור לכל זמן משמעותי. בעיה זו החלה להניב רק בימינו, כאשר הופיעו מחשבים רבי עוצמה שאפשרו ליצור מודלים מתמטיים של התנהגות פלזמה.

עדיין אין הסכמה לגבי השיטה הטובה ביותר לכליאת פלזמה. הדגם המפורסם ביותר, הטוקאמק, הוא תא ואקום בצורת סופגניה (כפי שמתמטיקאים אומרים, טורוס) עם מלכודות פלזמה בפנים ובחוץ. בתצורה זו תהיה המתקן התרמו-גרעיני הגדול והיקר ביותר בעולם - כור ITER הנבנה כעת בדרום צרפת.

בנוסף לטוקמק, ישנן תצורות אפשריות רבות של כורים תרמו-גרעיניים: כדוריים, כמו בסנט פטרסבורג Globus-M, כוכבים מעוקלים בצורה מוזרה (כמו וונדלשטיין 7-X במכון מקס פלאנק לפיזיקה גרעינית בגרמניה), לייזר. מלכודות אינרציאליות, כגון NIF האמריקאי. הם זוכים להרבה פחות תשומת לב תקשורתית מ-ITER, אבל יש להם גם ציפיות גבוהות.

ישנם מדענים הרואים בעיצובו של הכוכבים ביסודו מוצלח יותר מהטוקאמק: הוא זול יותר לבנייה, וזמן כליאת הפלזמה מבטיח לתת הרבה יותר.את הרווח באנרגיה מספקת הגיאומטריה של מלכודת הפלזמה עצמה, המאפשרת להיפטר מההשפעות הטפיליות והדליפות הגלומות ב"סופגנייה". לגרסה שאובת לייזר יש גם יתרונות.

דלק המימן שבהם מחומם לטמפרטורה הנדרשת על ידי פולסי לייזר, ותגובת ההיתוך מתחילה כמעט באופן מיידי. פלזמה במתקנים כאלה מוחזקת על ידי אינרציה ואין לה זמן להתפזר - הכל קורה כל כך מהר.

העולם כולו

כל הכורים התרמו-גרעיניים הקיימים בעולם כיום הם מכונות ניסוי. אף אחד מהם לא משמש לייצור חשמל. אף אחד עדיין לא הצליח למלא את הקריטריון העיקרי לתגובה תרמו-גרעינית (קריטריון לוסון): לקבל יותר אנרגיה ממה שהושקע ביצירת התגובה. לכן, הקהילה העולמית התמקדה בפרויקט ה-ITER הענק. אם יתקיים קריטריון Lawson ב-ITER, ניתן יהיה לשכלל את הטכנולוגיה ולנסות להעבירה למסילות מסחריות.

אף מדינה בעולם לא תוכל לבנות את ITER לבדה. הוא צריך 100 אלף ק מ של חוטים מוליכים בלבד, וגם עשרות מגנטים מוליכים וסולנואיד מרכזי ענק להחזקת פלזמה, מערכת ליצירת ואקום גבוה בטבעת, מצנני הליום למגנטים, בקרים, אלקטרוניקה… לכן, הפרויקט בונה 35 מדינות ויותר בבת אחת אלפי מכונים ומפעלים מדעיים.

רוסיה היא אחת המדינות העיקריות המשתתפות בפרויקט; ברוסיה מתוכננות ונבנות 25 מערכות טכנולוגיות של הכור העתידי. אלו הם מוליכים, מערכות למדידת פרמטרי פלזמה, בקרים אוטומטיים ורכיבים של המפנה, החלק החם ביותר בדופן הפנימית של הטוקמק.

לאחר השקת ITER, למדענים רוסים תהיה גישה לכל נתוני הניסוי שלו. עם זאת, ההד של ITER יורגש לא רק במדע: כעת באזורים מסוימים הופיעו מתקני ייצור, אשר ברוסיה לא היו קיימים קודם לכן. כך למשל, לפני תחילת הפרויקט לא היה בארצנו ייצור תעשייתי של חומרים מוליכים-על, ורק 15 טון בשנה יוצרו בכל העולם. כעת, רק במפעל המכני של צ'פטסק של התאגיד הממלכתי "רוזטום" ניתן לייצר 60 טון בשנה.

עתיד האנרגיה ומעבר לו

הפלזמה הראשונה ב-ITER מתוכננת להתקבל ב-2025. כל העולם מחכה לאירוע הזה. אבל מכונה אחת, אפילו החזקה ביותר, היא לא הכל. בכל העולם וברוסיה ממשיכים לבנות כורים תרמו-גרעיניים חדשים, שיעזרו סוף סוף להבין את התנהגות הפלזמה ולמצוא את הדרך הטובה ביותר להשתמש בה.

כבר בסוף 2020 עומד מכון קורצ'טוב להשיק טוקאמק T-15MD חדש, שיהפוך לחלק ממתקן היברידי עם אלמנטים גרעיניים ותרמו-גרעיניים. הנייטרונים, שנוצרים באזור התגובה התרמו-גרעיני, במתקן ההיברידי ישמשו לתחילת ביקוע של גרעינים כבדים - אורניום ותוריום. בעתיד, ניתן להשתמש במכונות היברידיות כאלה לייצור דלק לכורים גרעיניים קונבנציונליים - נויטרונים תרמיים ומהירים כאחד.

ישועת תוריום

מפתה במיוחד הסיכוי להשתמש ב"גרעין" תרמו-גרעיני כמקור לנייטרונים כדי ליזום ריקבון בגרעיני התוריום. יש יותר תוריום על הפלנטה מאשר אורניום, והשימוש בו כדלק גרעיני פותר כמה בעיות של כוח גרעיני מודרני בבת אחת.

לפיכך, לא ניתן להשתמש בתוצרי הריקבון של תוריום לייצור חומרים רדיואקטיביים צבאיים. האפשרות של שימוש כזה משמשת כגורם פוליטי שמונע ממדינות קטנות לפתח אנרגיה גרעינית משלהן. דלק תוריום פותר את הבעיה הזו אחת ולתמיד.

מלכודות פלזמה יכולות להיות שימושיות לא רק באנרגיה, אלא גם בתעשיות שלווה אחרות - אפילו בחלל. כעת רוסתום ומכון קורצ'טוב עובדים על רכיבים למנוע רקטי פלזמה נטול אלקטרודות עבור חלליות ומערכות לשינוי פלזמה של חומרים.השתתפותה של רוסיה בפרויקט ITER מדרבן את התעשייה, מה שמוביל ליצירת תעשיות חדשות, שכבר מהוות את הבסיס לפיתוחים רוסיים חדשים.