היתוך גרעיני – ה-Holy Grail של תעשיית האנרגיה המתחדשת

 

 

 

 

בארה"ב קיימות 17 מעבדות לאומיות לחקר אנרגיית ההיתוך הגרעיני. לאחרונה, חוקרים מאחת ממעבדות המחקר הללו, בשם Lawrence Livermore National Laboratory, הממוקמת בקליפורניה, הכריזו על פריצת דרך היסטורית יוצאת דופן בתחום ההיתוך הגרעיני שהתרחשה ב-5/12/22. מעבדת המחקר פורצת הדרך הזו חוקרת את תחום ההיתוך הגרעיני עוד מ-2009. שיטת המחקר שלה, ICF, מבוססת על שימוש ב -192 קרני לייזר לחימום פלזמת מימן בנסיון לחקות את התהליך שמתרחש בשמש ובכוכבים. במתקן של המעבדה, מכשיר ההיתוך מגיע לטמפרטורה של 2 מיליון מעלות (חם פי 7 מהטמפרטורה במרכז השמש) פרנהייט ולדחיסות של 300 אטמוספירות.
המדענים הצהירו כי הם הצליחו לייצר אנרגיית היתוך יציבה, כאן בכדור הארץ, באופן שבו נפלטה יותר אנרגיה מזו שהושקעה בתהליך. החלום הפך למציאות על פני כדור הארץ ממש לאחרונה.
מדובר באבן דרך משמעותית אשר מקרבת את האנושות למועד בו תוכל ליצר אנרגיה בהיקף מסחרי בשיטת ההיתוך הגרעיני, לאחר כ-60 שנים של מחקר בתחום.

זוהי למעשה הפעם הראשונה שבה הצליחו לייצר בתהליך זה יותר אנרגיה מזו שהושקעה בו באמצעות הלייזרים. על כן, מדובר באחת מפריצות הדרך הגדולות של המאה הזו. עם זאת, חשוב לומר כי כמות האנרגיה שהופקה בניסוי קטנה ביחס לצרכי האנושות (התהליכים שבמעבדות פועלים על פלזמה מזערית, בגודל של ראש סיכה) וכעת המדענים יידרשו להפוך את התהליך למסחרי, כלומר להצליח להפיק כמויות גדולות של אנרגיית היתוך, במשך זמן ארוך ובזול, להגיע ליכולת שימוש חוזר באנרגיה מהתהליך וכן לשפר עוד ועוד את היחס בין כמות האנרגיה הנפלטת לזו שהושקעה. ככל שאלו יושגו מהר יותר, כך ההיתוך הגרעיני ייקח חלק משמעותי ונכבד בעתיד מערכות החשמל של האנושות.

 

אטום הליום מכיל 2 פרוטונים ושני ניוטרונים. עם זאת, המסה שלו שונה ממסתם של שני פרוטונים ושני ניוטרונים אשר אינם קשורים זה בזה. ההפרש בין המסות אמנם קטן אך הוא זה שמשתנה לאנרגיה שנפלטת מתהליך ההיתוך, כששני אטומים של מימן מתמזגים לאטום הליום. תהליך זה נקרא – Binding Energy. 

 

לפרוטון יחיד לכשעצמו, באטום מימן, אין יכולת לייצר Binding Energy. האיזוטופ Deuterium שהוא פרוטון ועוד ניוטרון, יפיק כמות קטנה של Binding Energy במהלך היתוך גרעיני. כשמאחדים אותו עם Deuterium נוסף, כדי לייצר הליום, כמות הרבה יותר גדולה של אנרגיה תשתחרר מהתהליך. ככל שהאטומים נעשים כבדים יותר, תוספת ה-Binding Energies השולית שתשתחרר תהיה קטנה יותר. כאשר מדובר באטומים כבדים מאוד, הם משחררים את ה-Binding Energy כאשר הם מתפרקים ולא כאשר הם מתמזגים. כשאטום כבד כמו אורניום מתפצל לאטומים כמו בריום, הוא משחרר כמות קטנה של אנרגיה. קטנה בהרבה מהאנרגיה שמשתחררת כשמימן מתמזג להליום. זה הופך את ההיתוך הגרעיני למקור אנרגיה גדול בהרבה מאשר הביקוע הגרעיני.

 

כאשר ממזגים Deuterium (אטום ובו פרוטון אחד וניוטרון אחד) עם Tritium (אטום ובו פרוטון אחד ושני ניוטרונים), נוצר אטום הליום, המכיל שני פרוטונים ושני ניוטרונים ונותר ניוטרון אחד חופשי. נמצא שהיתוך זה, הנקרא גם היתוך DT, הוא האפקטיבי ביותר מבחינה אנרגטית מבין כל אפשרויות ההיתוך. מסתו של Deuterium הינה 2.014 יחידות (או 3.345 כפול 10 בחזקת -27 ק"ג) ואילו מסתו של Tritium הינה 3.016 יחידות (או 5.010 כפול 10 בחזקת -27 ק"ג). יחד המסה המשותפת שלהם הינה 8.355 כפול 10 בחזקת -27 ק"ג. זאת בעוד שהמסה המשותפת של הליום פלוס פרוטון חופשי הינה 8.324 כפול 10 בחזרת -27 ק"ג. כלומר, השתחררה מסה של 3.1 כפול 10 בחזקת -29 ק"ג. 

 

לפי המשוואה של איינשטיין E=M*C^2, האנרגיה שווה למסה כפול מהירות האור בחזקת 2. אם נמזג 2 ק"ג של דיוטריום עם 3 ק"ג של טריטיום, נקבל בנוסף להליום, 20 גרם של מסה אשר תהפוך לאנרגיה. E=0.02*(9*10^16) כלומר E=1.8*10^15 jouls. זה שווה ערך לכ-500 מיליון kw/h, אנרגיה שתספיק לצריכתם של כ-50,000 בתים בשנה. כדי לבצע את המיזוג הזה, דרושה טכנולוגיה שיודעת לחקות את התהליך שמתבצע בשמש. בדרך כלל כוח הכבידה העצום שבכוכבים הוא זה שמספק את הכוח הנדרש להיתוך גרעיני ולמיזוג של אטומים יחד. החדשות הטובות הן שניתן לבצע את אותה פעולה בכדור הארץ תוך שימוש בחום שהינו מעל ל-100 מיליון מעלות צלזיוס (זאת כשהטמפרטורה בליבת השמש הינה כ-15 מיליון מעלות צלזיוס, אך יש לזכור כי הלחץ בליבת השמש גבוה בהרבה מאשר בכדור הארץ וגם הוא משפיע על יכולות ההיתוך הגרעיני בשמש) וזוהי טמפרטורה שקשה מאוד להגיע אליה בכדור הארץ. רק בתנאים הקיצוניים האלו, תאי האטום מותכים יחדיו, מתאחדים ומשתחררים כאטומי הליום, יחד עם כמות עצומה של אנרגיה. 

 

הניסויים בתחום מתבצעים בשתי דרכים עיקריות. הראשונה מבוססת מגנטים ונקראת גם "כליאה מגנטית" (MCF –magnetic confinement fusion) והאחרת מבוססת לייזרים (ICF -  Inertial confinement fusion). 

 

MCF מבוצע בדרך כלל באמצעות גז (בטמפרטורות גבוהות, המכונה Plasma) שמוזרם לתעלה סיבובית. אחד האתגרים בהם נתקלו החוקרים לאורך השנים היא היכולת לייצב את הפלזמה ולשלוט בה בתנאי הוואקום, הטמפרטורה הגבוהה והלחצים הגבוהים וכן לשמור על הטמפרטורה הגבוהה אליה חייבים להגיע. כאשר לא שולטים בפלזמה כמו שצריך, חלקיקי הפלזמה הלוהטים פוגעים במשטח כלשהו ומתקררים במהרה ועל כן, פותחו מכשירי היתוך גרעיני היוצרים שדות מגנטיים, אשר שולטים בפלזמה ומונעים מגע שלה עם פני המכשיר. בין המכשירים הבולטים הקיימים כיום במעבדות המחקר נמצאים מכשירים מסוג Stellarator ומסוג Tokamak, הפועלים בשיטות היתוך DT שונות.

 

אחד ההבדלים הבולטים בין מכשיר מסוג Stellarator למכשיר מסוג Tokamak הינו בדרך בה הם מכילים ומייצבים את הפלזמה. מכשירי ה-Stellarator משתמשים בשדה מגנטי מורכב הנוצר האמצעות סלילים מגנטיים המונחים סביב המכשיר בתבנית ספציפית בכדי לשלוט בפלזמה במשימת ההיתוך ואילו מכשירי ה-Tokamak משתמשים בשדה מגנטי פשוט יותר, טורואידלי (בצורת דונאט), כדי להכיל את הפלזמה, והוא נוצר באמצעות זרם הפלזמה עצמה. השיטה של ה-Stellarator מורכבת יותר ובנוסף לכך יקרה יותר, אך היא מצליחה לשלוט בפלזמה למשך זמן ארוך יותר, כך שלכל שיטה יש את היתרונות והחסרונות שלה.

 

סוגים נוספים של מכשירי MCF בהם משתמשים במחקרים כיום משתמשים בשילוב של שדות מגנטיים ואלומות אנרגיה גבוהות כדי להגביל וכדי לחמם את הפלזמה (דוגמאות – FRC – field reversed configuration וכן magnetic mirror). 

 

בנוסף, קיימים כאמור מכשירי ה-ICF (Inertial confinement fusion) אשר משתמשים בלייזרים חזקים בדרך כלל, כדי לדחוס ולחמם יחידות דלק תרמו-גרעיני, אשר מורכבות מאיזוטופי המימן דיוטוריום וטריטיום. אלו מתלהטות מאוד ועוברות היתוך גרעיני. בשיטה זו, קצב ההיתוך הוא גם פונקציה של הדחיסות של החומר והמטרה העיקרית הינה שהאנרגיה שנוצרת מהתגובה תעלה על הקצב שבו הפסדי קרינת רנטגן והולכת אלקטרונים מקררים את ההתפרצות. שיטת ה-ICF היא זו שהגיעה לפריצת הדרך האחרונה וכעת משהושג ההישג החדש, המדענים יעבדו על שיפור התהליך. בתחום ה-ICF ינסו גם להשתמש בלייזרים חזקים יותר.

 

בשנים האחרונות הופנו לתחום יותר מ-5 מיליארד דולר מתוכם, מרבית הכספים הלכו למחקרים שנעשו בטכנולוגיות השונות מזו שהצליחה לייצר יותר אנרגיה מזו שהושקעה לאחרונה. רוב הכסף שהושקע הופנה למחקרים בטכנולוגיות הפועלות באמצעות מגנטים, וגם שם נרשמה התקדמות מרשימה. המחקרים הפועלים בתחום הלייזרים גייסו בשנים האחרונות בסה"כ כ-100 מיליון דולר.

ההודעה שפורסמה בדבר פריצת הדרך, מעניינת משקיעים פרטיים ולכן סביר שבשנים הקרובות נראה שההשקעה הכללית בתחום תואץ, כתוצאה מפריצת הדרך אך גם סביר להניח שיופנה נתח גדול יותר מההשקעות לשיטת ההיתוך באמצעות לייזרים. בנוסף, שווה להזכיר שנשיא ארה"ב, ג'ו ביידן, הכריז בקיץ האחרון על יעד של 10 שנים להקמה של כור היתוך גרעיני מסחרי.

 

ייצור אנרגיה ממסה הנפלטת בתהליך ההיתוך הגרעיני הינו נושא שנחקר עוד משנות ה-30 של המאה הקודמת וכנראה ימשיך להיחקר עוד שנים רבות. עם זאת, חלו לאחרונה מספר פריצות דרך משמעותיות, כאשר האחרונה שבהן התרחשה ממש בחודש שעבר (דצמבר 2022) ומהווה את אחת מפריצות הדרך הגדולות ביותר של המאה – שכן לראשונה הצליחו לייצר בתהליך זה, יותר אנרגיה מזו שהושקעה וזאת בהתאם לטענתו של איינשטיין כי ניתן להמיר מסה לאנרגיה.

 

ככל הנראה, ייקחו עוד כמה עשרות שנים עד שהאנושות תשתמש בהיתוך גרעיני לייצור חשמל ירוק ולהטמעת כורי היתוך במערכות החשמל הקיימות בעולם ולכן, סביר להניח כי במלחמה העכשווית לאיפוס פליטות הפחמן הדו חמצני, שיטת ההיתוך הגרעיני לא תשתתף.

 

עם זאת, חשוב לציין, כי כאשר האנושות תדע לייצר חשמל מהיתוך גרעיני באופן כלכלי והיקף מסחרי, מעבר לעובדה שייצור חשמל כבר לא יהיה תהליך מזהם, הוא יהיה נגיש לכל מדינה, בהיקפים עצומים וכלכליים. הדבר צפוי להפחית את התלות האנרגטית שקיימת כיום בין מדינות וניתן להניח שיהיה אחד מערוצי ההשקעה המקובלים בעולם ההשקעות.

 

 

כל הזכויות שמורות ©

 

הכותבת הינה סמנכ"לית מחקר בקבוצת ילין לפידות ("ילין לפידות"). אין לראות בסקירה ו/או בתוכנה משום שיווק/ייעוץ השקעות/שיווק פנסיוני או תחליף לכזה. סקירה זו בוצעה בהסתמך על מידע פומבי וגלוי לציבור ועשויה להתבסס על נתונים שפותחו על ידי אנליסטים עובדי קבוצת ילין לפידות ומקורות אחרים הנחשבים מהימנים ומבלי להתחייב על ביצוע בדיקות עצמאיות לשם בירור מהימנות המידע. מובן שמידע צופה פני עתיד אינו מהווה עובדה והוא מבוסס רק על הערכות סובייקטיביות של הכותב ע"פ המידע שנמצא לפניו. מידע צופה פני עתיד הוא אינו ודאי  ועלולות להתגלות סטיות משמעותיות בין ההערכות המובאות במידע הכלול בסקירה לבין התוצאות בפועל. הכותב אינו מתחייב לעדכן או לשנות את הסקירה הנ"ל עם וככל שיתפרסמו נתונים חדשים. המידע המוצג בסקירה, הינו חומר מסייע בלבד ואין לראות במידע זה כמידע שלם וממצה של ההיבטים הכרוכים בני"ע ו/או בנכסים הפיננסים אם וככל שהם מוזכרים בה. אין באמור כדי להוות תחליף לייעוץ השקעות או ייעוץ פנסיוני בידי בעל רישיון עפ"י דין, המתחשב בנתונים ובצרכים המיוחדים של כל אדם. חברות מקבוצת ילין לפידות ו/או נושאי המשרה שלהן ו/או מנהליהן ו/או עובדיהן ו/או מי מטעמן עשויים, בהתאם למגבלות הדין, לרכוש ו/או למכור ו/או להחזיק ו/או להתעניין בביצוע עסקאות בניירות הערך הנסקרים, הן עבור עצמם והן עבור נכסים פיננסים או פנסיוניים המנוהלים בידי קבוצת ילין לפידות (לרבות קרנות נאמנות ו/או קופות גמל המנוהלות בידי הקבוצה) וכן עשויים לרכוש ו/או למכור ו/או לבצע עסקאות בניירות הערך הכלולים בסקירה  עבור תיקי השקעות המנוהלים על ידי ילין לפידות ניהול תיקי השקעות בע"מ, העוסקת בניהול תיקי השקעות ובשיווק השקעות. חברות מקבוצת ילין לפידות מחזיקות ו/או עשויות להחזיק ו/או למכור במסגרת פעילותן השוטפת, ניירות ערך ו/או נכסים פיננסים של החברות הנסקרות, והן עשויות לקיים קשרים עסקיים נרחבים ומגוונים עם החברות הנסקרות, למועד מסמך זה ו/או במועדים אחרים, הכל כמפורט לעיל ובין היתר משום כך ולאור האמור לעיל עשוי להיות לחברות מקבוצת ילין לפידות ו/או למי מטעמן עניין אישי בנכסים ו/או בחברות ו/או בניירות הערך המוזכרים בסקירה. חברות מקבוצת ילין לפידות ו/או נושאי המשרה שלהן ו/או מנהליהן ו/או עובדיהן ו/או מי מטעמן אינם לוקחים על עצמם כל אחריות שהיא לכל הפסד ישיר או נסיבתי הנובע משימוש בסקירה זאת. אין באמור התחייבות להשגת תשואה כלשהי. אין בתשואות העבר כדי להבטיח תשואות דומות בעתיד.