מהו היתוך גרעיני והאם הוא יציל את כדור הארץ ממשבר האקלים

מה זה היתוך גרעיני?

היתוך גרעיני (במקרה הזה אנחנו מדברים על היתוך תרמו-גרעיני) הוא התגובה

היתוך של גרעיני אטום קלים לכבדים יותר,מתרחשת בטמפרטורות גבוהות במיוחד ומלווה בשחרור כמויות עצומות של אנרגיה. תגובה זו היא הפוכה מביקוע אטומי: באחרון משתחררת אנרגיה עקב פיצול גרעינים כבדים לקלים יותר.

על פי האסטרופיזיקה המודרניתתפיסות, מקור האנרגיה העיקרי של השמש וכוכבים אחרים הוא היתוך תרמו גרעיני המתרחש בעומקם. בתנאים יבשתיים, זה מתבצע עם פיצוץ של פצצת מימן. היתוך תרמו-גרעיני מלווה בשחרור אנרגיה עצום ליחידת מסה של חומרים מגיבים (פי 10 מיליון יותר מאשר בתגובות כימיות). לכן, יש עניין רב לשלוט בתהליך זה ועל בסיסו ליצור מקור אנרגיה זול וידידותי לסביבה. עם זאת, למרות העובדה שצוותים מדעיים וטכניים גדולים במדינות מפותחות רבות עוסקים במחקר על היתוך תרמו-גרעיני מבוקר (CTF), עדיין ישנן בעיות מורכבות רבות שיש לפתור לפני שייצור תעשייתי של אנרגיה תרמו-גרעינית הופך למציאות.

תחנות כוח גרעיניות מודרניות משתמשות בתהליךחטיבות, מספקות רק באופן חלקי את צורכי החשמל של העולם. הדלק עבורם הוא היסודות הרדיואקטיביים הטבעיים אורניום ותוריום, ששפעם ומאגריהם בטבע מוגבלים מאוד; לכן, מדינות רבות מתמודדות עם הבעיה של יבואן. המרכיב העיקרי של דלק תרמו-גרעיני הוא איזוטופ המימן דאוטריום, המצוי במי הים. העתודות שלו זמינות לציבור וגדולות מאוד (האוקיינוס ​​העולמי מכסה ~71% משטח פני כדור הארץ, ודוטריום מהווה כ-0.016% מסך אטומי המימן המרכיבים את המים).

בנוסף לזמינות הדלק, למקורות האנרגיה התרמו-גרעיניים היתרונות החשובים הבאים על פני תחנות כוח גרעיניות:

• הכור CTS מכיל הרבה פחות חומרים רדיואקטיביים מכור ביקוע גרעיני, ולכן ההשלכות של שחרור מקרי של מוצרים רדיואקטיביים פחות מסוכנות;
• תגובות תרמו-גרעיניות מייצרות פחות פסולת רדיואקטיבית לאורך זמן;
• TCB מאפשר ייצור ישיר של חשמל.

היישום המוצלח של תגובת ההיתוך תלוי בתכונות של גרעיני האטום המשמשים ובאפשרות להשיג פלזמה צפופה בטמפרטורה גבוהה, הדרושה ליזום התגובה.

כיצד משתחררת אנרגיה במהלך היתוך?

שחרור אנרגיה במהלך היתוך גרעיני נובע מכוחות משיכה עזים במיוחד הפועלים בתוך הליבה; כוחות אלה מחזיקים את הפרוטונים והניטרונים המרכיבים את הגרעין. הם עזים מאוד ומתכלים במהירות רבה עם מרחק. בנוסף לכוחות אלה, פרוטונים טעונים חיובי יוצרים כוחות דחייה אלקטרוסטטיים. רדיוס הפעולה של כוחות אלקטרוסטטיים גדול בהרבה מזה של כוחות גרעיניים, ולכן הם מתחילים לשרור כאשר הגרעינים מוסרים זה מזה.

בתנאים רגילים, האנרגיה הקינטית של הגרעיניםאטומי אור קטנים מכדי להתגבר על הדחייה האלקטרוסטטית, הם יכולים להתקרב ולהיכנס לתגובה גרעינית. עם זאת, ניתן להתגבר על הדחייה בכוח "פראי", למשל, על ידי התנגשות גרעינים במהירות יחסית גבוהה.

מדוע מדענים עושים מיזוג גרעיני?

חוקרים המפתחים תרמו-גרעיןכור שיכול לייצר יותר אנרגיה ממה שהוא צורך הראה בסדרת עבודות אחרונות שעיצוביהם חייבים לעבוד, ומחזיר אופטימיות שמקור אנרגיה נקי וחסר גבולות זה יסייע להקל על משבר האקלים.

קבוצת חוקרים ממסצ'וסטסהמכון הטכנולוגי (MIT) ומכונים אחרים מצהירים שכור היתוך הקומפקטי SPARC יעבוד במציאות. לפחות בתיאוריה, כפי שטוענים בסדרת מחקרים שפורסמו לאחרונה.

הצוות מציין כי בשלבי התכנון לאלא נמצאו מכשולים או הפתעות בלתי צפויים. זה נאמר בשבעה מאמרים שנכתבו על ידי 47 חוקרים מ -12 מוסדות מדעיים שונים.

למרות שהכור החדש עדיין בבנייהבשלבי הפיתוח המוקדמים שלו, מדענים מקווים שהוא יוכל להתחיל לייצר חשמל עד סוף העשור. מרטין גרינוולד, אחד המדענים הבכירים של הפרויקט, אמר ל"גרדיאן" כי המניע המרכזי לציר הזמן השאפתני הוא לענות על צורכי האנרגיה באקלים מתחמם. "נראה כי היתוך הוא אחד הפתרונות האפשריים להיחלץ מאסון האקלים הממשמש ובא", אמר.

מה הבעיה עם היתוך ואיך זה יכול לעזור לכוכב הלכת?

היתוך גרעיני, תהליך פיזי שהכוח של השמש שלנו מתרחש כאשר אטומים מתנגשים יחד בטמפרטורות ולחצים גבוהים במיוחד, וגורמים להם לשחרר כמויות אדירות של אנרגיה על ידי התמזגות עם אטומים כבדים יותר.

מאז זה התגלה לראשונהבמאה האחרונה, מדענים ביקשו לרתום היתוך גרעיני, צורה צפופה ביותר של אנרגיה שהדלק שלה - איזוטופי מימן - מצוי בשפע ומתחדש. יתרה מכך, היתוך גרעיני אינו מייצר גזי חממה או פחמן, ובניגוד לכורי ביקוע גרעיני, אינו נושא סיכון של התמוטטות.

עם זאת, השימוש בצורת אנרגיה גרעינית זוהתבררה כקשה ביותר משום שהצריך לחמם את "מרק החלקיקים התת-אטומיים" - פלזמה - למאות מיליוני מעלות - חם מדי מכדי שכל מיכל יוכל לטפל בו. כדי לעקוף זאת, מדענים פיתחו תא בצורת סופגניה עם שדה מגנטי חזק שעובר דרכו, הנקרא טוקאמק, המחזיק את הפלזמה במקומה.

מה כבר מפותח?

המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטסוהחברה הבת Commonwealth Fusion Systems החלה לתכנן כור חדש, קומפקטי מקודמותיה, עוד בתחילת 2018, עם תחילת הבנייה במחצית הראשונה של השנה הבאה. אם לוח הזמנים שלהם מתנהל לפי התוכנית, כור בשם Sparc יכול לייצר חשמל לרשת עד 2030, על פי חוקרים ופקידים בחברה. זה יהיה מהיר בהרבה מהיזמות הקיימות בתחום אנרגיית ההיתוך.

עיצובי הכור הנוכחיים גדולים מדיודרכים לייצור חשמל בפועל לצרכנים. באמצעות מגנטים חדישים וחזקים במיוחד, צוות MIT ו-Commonwealth Fusion מקווה ליצור כור טוקאמק קומפקטי, יעיל וניתן להרחבה. "מה שבאמת עשינו זה לשלב מדע קיים עם חומר חדש כדי לפתוח אפשרויות עצומות חדשות", אמר גרינוולד.

לאחר שהדגים כי מכשיר ה- Sparcתיאורטית יכולה לייצר יותר אנרגיה ממה שנדרש להפעלה, במאמרי המחקר שפורסמו בספטמבר, השלב הבא הוא בניית כור ואז מפעל פיילוט שייצור חשמל ברשת.

כל היתרונות והחסרונות של היתוך גרעיני

מדענים ויזמים הבטיחו זה מכברהיתוך תרמו-גרעיני נמצא ממש מעבר לפינה, אך בפני בעיות בלתי-ניתנות להתגברות. זה גרם לחוסר רצון להשקיע בה, במיוחד מכיוון שרוח, אנרגיה סולארית ומקורות אנרגיה מתחדשים אחרים, אף שהם פחות חזקים ממיזוג, הפכו יעילים יותר וחסכוניים.

אבל המצב משתנה.בתכנית של 2 טריליון דולר של ביידן, הוא כינה טכנולוגיה גרעינית מתקדמת כחלק מאסטרטגיית הפחמן. הדמוקרטים תמכו בכוח גרעיני לראשונה מאז 1972. השקעה משמעותית מגיעה גם ממקורות פרטיים, כולל כמה חברות נפט וגז גדולות, הרואות במיזוג דריסת רגל טובה יותר לטווח הארוך מאשר רוח ושמש.

לדברי בוב Mumgaard, מנהלמנהל Commonwealth Fusion, המטרה היא לא להשתמש בהיתוך כדי להחליף את אנרגיית השמש והרוח, אלא להשלים אותם. "יש דברים שיהיה קשה לעשות עם אנרגיה מתחדשת בלבד, בקנה מידה תעשייתי, כמו הפעלת ערים גדולות או ייצור", אמר. "זה המקום שבו סינתזה יכולה להועיל."

קהילת הפלזמה בכללותה מתלהבת מההתקדמות של ספרק, אם כי יש שהטילו ספק בקו הזמן השאפתני בהתחשב במכשולים טכניים ורגולטוריים.

דניאל ג'סבי, 25 שנות מחקר מדעימקורב במעבדת פרינסטון לפיזיקת פלזמה, ספקן האם כור היתוך כמו SPARC יכול להפוך אי פעם למקור אנרגיה חלופי אפשרי. טריטיום, אחד האיזוטופים של המימן בו ישתמש ספארק כדלק, אינו מופיע בטבע ויש לייצרו, אמר.

הצוות הטכנולוגי של מסצ'וסטסהמכון מניח כי חומר זה יתחדש ברציפות על ידי תגובת הסינתזה עצמה. אך ג'סבי מאמינה כי הדבר ידרוש כמות עצומה של חשמל, מה שהופך את הכור ליקר מדי. "כשאתה חושב שאנחנו מקבלים אנרגיית שמש ורוח בחינם, זה יהיה טיפשי להסתמך על תגובת היתוך", הוא מסכם.

קרא עוד

מחקר: בני אדם לא יוכלו לשלוט במכונות AI מלאכותיות

הפלה ומדע: מה יקרה לילדים שילדו

בדוק את התמונות היפות ביותר של האבל. מה ראה הטלסקופ מזה 30 שנה?