שיא עולמי: גרמניה כלאה אש שמש במשך 43 שניות
ב-22 במאי האחרון, בשעות אחר הצהריים המאוחרות, התרחש משהו יוצא דופן במתקן המחקר בגרייפסוולד שבגרמניה. במשך 43 שניות רצופות הצליח צוות חוקרים בינלאומי להחזיק "אש שמש" כלואה בתוך כלוב מגנטי, פלזמה בטמפרטורה של 30 מיליון מעלות צלזיוס, חמה יותר מליבת השמש עצמה. זה לא נשמע הרבה, 43 שניות. אבל במחקר היתוך גרעיני זהו שיא עולמי שמסמן נקודת מפנה.
המתקן הגרמני ונדלשטיין 7-X , שעלותו הגיעה ל-370 מיליון יורו, הוא מכשיר הסטלרטור הגדול והחזק ביותר בעולם. שמו נגזר מהר ונדלשטיין בבוואריה, אבל המטרה שלו נמצאת הרחק מעבר לגבולות גרמניה, להוכיח שניתן לרתום את כוח השמש לייצור אנרגיה נקייה ובלתי מוגבלת כאן על פני כדור הארץ. המכון 'מקס פלנק לפיזיקה של פלזמה' מפעיל את המתקן בשיתוף עם קונסורציום אירופי ושותפים מארצות הברית.
מה בדיוק קרה באותן 43 שניות? החוקרים הזריקו כ-90 כדוריות מימן קפואות, כל אחת בגודל של כמה מילימטרים, לתוך תא ואקום בצורת סופגנייה. במקביל גלי מיקרו עוצמתיים חיממו את הגז עד שהפך לפלזמה, מצב רביעי של החומר שבו האלקטרונים מתנתקים מהגרעינים. שדה מגנטי מורכב החזיק את הפלזמה הלוהטת צפה באוויר ומנע ממנה לגעת בדפנות הכלי שהיו נמסות מיד.
השיא החדש מתייחס למשהו שחוקרי היתוך מכנים "המכפלה המשולשת", מדד המשלב שלושה גורמים קריטיים: צפיפות הפלזמה, הטמפרטורה שלה, והזמן שהיא מוחזקת ביציבות. רק כאשר שלושת הגורמים האלה מגיעים לערכים מספיק גבוהים פלזמה יכולה לייצר יותר אנרגיה ממה שמושקע בחימום שלה. זה המפתח להיתוך בר-קיימא.
פרופסור תומס קלינגר, שמוביל את הפעילות במתקן, לא הסתיר את התרגשותו: "השיא החדש הוא הישג עצום של הצוות הבינלאומי. הוא מדגים בצורה מרשימה את הפוטנציאל של ונדלשטיין. העלאת המכפלה המשולשת לרמות של טוקאמק במהלך פולסי פלזמה ארוכים מסמנת אבן דרך נוספת בדרך לסטלרטור המסוגל לתחנת כוח."
התוצאות מעוררות התרגשות מיוחדת כי ונדלשטיין הצליח להשיג אותן עם נפח פלזמה קטן פי שלושה מזה של המתקן הבריטי JET, שהחזיק עד כה בשיאים דומים. גודל קטן יותר פירושו יעילות גבוהה יותר, הישג טכנולוגי משמעותי בדרך לתחנת כוח מסחרית.
סטלרטור נגד טוקאמק: מירוץ טכנולוגי עולמי
כדי להבין מדוע ההישג הגרמני כל כך חשוב, צריך להכיר את שני המתחרים העיקריים במירוץ להיתוך גרעיני: הטוקאמק והסטלרטור. שניהם משתמשים באותו עיקרון בסיסי, כליאה מגנטית של פלזמה סופר-חמה, אך בדרכים שונות מהותית.
הטוקאמק, שפותח בברית המועצות לשעבר, הוא העיצוב הפשוט והנפוץ יותר. הוא מסתמך על זרם חשמלי עוצמתי שעובר דרך הפלזמה עצמה כדי ליצור חלק מהשדה המגנטי המחזיק אותה. הבעיה? זרם זה גורם לאי-יציבות. הפלזמה עלולה להתפרץ ולפגוע בדפנות הכור. מעבר לזה, הטוקאמק חייב לפעול בפולסים, הוא לא יכול לרוץ ברציפות שעות ארוכות.
הסטלרטור, לעומת זאת, הוא מכונה מורכבת הרבה יותר. הוא משתמש רק במגנטים חיצוניים, מעוקלים בצורה סלילית מסובכת שחישובה דורש מחשבי-על. אין כאן זרם פנימי, ולכן הפלזמה יציבה הרבה יותר. המתקן יכול לפעול ברציפות שעות רבות, תכונה הכרחית לכל תחנת כוח עתידית.
ונדלשטיין 7-X מורכב מ-50 סלילי מגנט על-מוליכים ענקיים, כל אחד בגובה 3.5 מטר. הסלילים מקוררים לטמפרטורה של מינוס 270 מעלות צלזיוס באמצעות הליום נוזלי, כך שהם הופכים למוליכי-על, חומרים שמוליכים חשמל ללא כל התנגדות. זה מאפשר להם ליצור שדות מגנטיים עוצמתיים במיוחד. המתקן שוקל 725 טון בלבד, לעומת 23,000 טון של כור ITER הטוקאמק הענק שנבנה כעת בצרפת.
המפתח להצלחה האחרונה היה מזרק כדוריות חדש שפיתחה מעבדת אוק רידג' הלאומית בארצות הברית. המכשיר יוצר ברציפות גדיל של מימן קפוא בעובי 3 מילימטר, חותך ממנו כדוריות גליליות ויורה אותן לתוך הפלזמה במהירות של עד 800 מטר לשנייה. זהו "תדלוק" רצוף שמאפשר לשמור על הפלזמה יציבה זמן רב.
בניסוי השובר שיא, החוקרים הפעילו את מזרק הכדוריות בקצבים משתנים מתוכנתים מראש, בפעם הראשונה. זה דרש תיאום מדויק בין הזרקת הדלק לבין חימום במיקרוגל. התוצאה? איזון אופטימלי שאפשר לפלזמה לשמור על ביצועים גבוהים למשך 43 שניות.
מעבדת פרינסטון לפיזיקה של פלזמה תרמה מערכת בקרה מתוחכמת למזרק הכדוריות, וכן ספקטרומטר קרני רנטגן שמדד את טמפרטורת היונים בפלזמה. "זה כמו כפתורי הכיריים שלכם בבית", הסביר נובימיר פבלנט, ראש חטיבת ניסויי הסטלרטור במעבדה. "המערכת קובעת את הפרמטרים, קצב ההזרקה, המהירות, זמני ההתחלה והעצירה. היא גם שולטת בכל משאבות הוואקום וקוראת את החיישנים."
השיתוף הבינלאומי היה קריטי להצלחה. מלבד התרומה האמריקאית, מכונים אירופיים רבים לקחו חלק: המרכז הספרדי CIEMAT ביצע חישובי סימולציה מתקדמים, מרכז המחקר ההונגרי HUN-REN תיעד את התהליך במצלמות אולטרה-מהירות, והמכון הגרמני KIT פיתח את מערכת החימום במיקרוגל. זו נחשבת לשיטה המבטיחה ביותר להבאת פלזמה לטמפרטורות הרלוונטיות להיתוך גרעיני.
הקפיצה לעידן האנרגיה הנקייה והבלתי מוגבלת
מדוע בכלל להשקיע מאמץ ומשאבים עצומים בהיתוך גרעיני? התשובה טמונה בפוטנציאל האנרגטי העצום שטמון בליבת האטום. היתוך גרעיני מייצר פי 4 מיליון יותר אנרגיה מדלקים פוסיליים, ופי 4 יותר מביקוע גרעיני. הדלק הנדרש: איזוטופים של מימן, זמין בשפע במים.
בניגוד לביקוע גרעיני, שמשתמש באיזוטופים רדיואקטיביים מסוכנים ומייצר פסולת רדיואקטיבית לאלפי שנים, היתוך משתמש בדאוטריום וטריטיום, איזוטופים של מימן שניתן להפיק ממים רגילים. התוצר העיקרי של התגובה הוא הליום, גז בלתי מזיק לחלוטין. אין סיכון להתמוטטות כמו בכורי ביקוע, כי אם משהו משתבש, הפלזמה פשוט מתקררת תוך שניות.
אבל האתגרים הטכניים עצומים. כדי שגרעיני מימן יתמזגו, צריך להתגבר על הדחייה החשמלית העצומה ביניהם. זה דורש טמפרטורות של מעל 100 מיליון מעלות צלזיוס, פי שישה מהטמפרטורה בליבת השמש. בטמפרטורות כאלה, אין חומר שיכול להחזיק את הפלזמה. הפתרון היחיד הוא כליאה מגנטית, להשתמש בשדות מגנטיים כדי להרחיק את הפלזמה מכל מגע פיזי.
ההצלחות של ונדלשטיין כבר השפיעו על תעשיית הסטארט-אפים. מספר חברות חדשות ברחבי העולם מפתחות תחנות כוח סטלרטור המבוססות על העיצוב הגרמני. גם המגזר הפרטי מגלה עניין גובר בטכנולוגיה זו. הדרך עדיין ארוכה, ואתגרים הנדסיים רבים ממתינים, מאמינות הטכנולוגיה ועד להסרת החום הנוצר ברציפות. אבל החלום להפוך את אנרגיית השמש לזמינה על פני כדור הארץ נראה קרוב יותר מתמיד.
תגובות (0)
אין עדיין תגובות. היו הראשונים להגיב!