מדענים קנדים וסינים מדווחים על התקדמות במרוץ להיתוך גרעיני

הזינוק בצריכת החשמל העולמית שמביאה עמה מהפכת הבינה המלאכותית מביא לצמא עולמי למקורות לייצור חשמל ואנרגיה; בימים אלה נפתח מרוץ אחר מקור אנרגיה שעד כה נחשב למדע בדיוני: היתוך גרעיני (Nuclear Fusion).

דיווחים ממעבדות בסין ובקנדה מסמנים התקדמות משמעותית בדרך למה שמומחים מכנים "הגביע הקדוש של האנרגיה", או "שמש מלאכותית על כדור הארץ". אם אכן יתחיל שימוש מסחרי בטנולוגיה הזאת, היא תבטיח אנרגיה נקייה, בטוחה וכמעט אינסופית.

עד כה, טכנולוגיות היתוך גרעיני שימשו לפצצות מימן בלבד. מאז שנות ה-50 במאה הקודמת נעשו מחקרים שנועדו למצוא דרך לייצור מסחרי של חשמל בהיתוך גרעיני, אך עד כה הם לא הצליחו. 

חברת General Fusion הקנדית והאקדמיה המדעית הסינית הודיעו על פריצות דרך שעשויות לקרב אותן אל המטרה.

היתוך גרעיני הוא תהליך שבו אטומים של חומר קל (לרוב מימן) מתמזגים יחד לאטומים של חומר כבד יותר (לרוב הליום), והמיזוג משחרר כמות עצומה של אנרגיה. מדובר בחיקוי של תהליך המתרחש בשמש ומייצר את החום והאור המגיעים לכדור הארץ.

General Fusion פיתחה טכנולוגיה ייחודית שמטרתה להגיע להיתוך גרעיני. החברה הודיעה לאחרונה על נתונים מניסוי שערכה לפני כשנה, שבהן הגיעה לשיא עולמי בייצור ניוטרונים - תוצר לוואי המעיד על התרחשות היתוך. 

רוברט פדוסייב, פרופסור מאוניברסיטת אלברטה, הגדיר זאת כ"צעד קדימה". למעשה, חלק מהכורים הגדולים כבר השיגו תגובות חזקות יותר בניסויי היתוך, אך הניסוי של ג'נרל פיוזון דיווח כי ביצע זאת באופן פרקטי וזול יותר.

במקביל, האקדמיה הסינית הודיעה כי כור ההיתוך East ("מזרח") "הצליח לשמור על פלזמה יציבה בצפיפות הגבוהה מהגבול התיאורטי האפשרי".

אם הדיווח אמיתי (מה שכדאי להטיל בספק) זוהי פריצת דרך דרמטית. זאת, כיוון שכדי לבצע היתוך גרעיני, יש להחזיק מימן במצב צבירה של פלזמה לוהטת וצפופה, והיכולת לייצב פלזמה בצפיפות גבוהה כזו עשויה לאפשר בעתיד בניית כורים להיתוך גרעיני מסחריים.

פלזמה - מרכיב מרכזי בהיתוך גרעיני, אילוסטרציה. צילום: UC San Diego Today. מאושר לשימוש חופשי במסגרת Creative commons

חוקר ישראלי מאשר: "פריצות דרך חשובות"

אל"ם (במיל') ד"ר אורי ניסים לוי, יו"ר פורום המחקר הגרעיני הישראלי-בינלאומי WNF-193, ומרצה במכללת אפקה להנדסה, אישר לאתר האנרגיה כי הגילויים האחרונים בסין ובקנדה בתחום ההיתוך הם "אכן פריצות דרך חשובות".

לדברי לוי: "עולם המדע מדבר על איחוי גרעיני (המונח המדעי להיתוך, ר.ק) כבר למעלה מ-65 שנה, ותמיד התחושה היא שאנחנו מרחק של עשורים מהיעד. מדובר בתהליך בו ממזגים אטומים ליצירת אנרגיה, בדומה למה שקורה בשמש כדי ליצור הליום ומים.

"האיחוי הגרעיני לא מייצר את הפסולת הרדיואקטיבית הבעייתית של הכורים הקיימים (ביקוע גרעיני, ר.ק) והתוצר שלו הוא פשוט הליום ומים. לגבי הניסויים האחרונים: בסין הגיעו ליכולת להחזיק מערכת עובדת למשך זמן ממושך.

פרופסור אורי נסים לוי, יו"ר פורום מחקר הגרעין WNF-193 ומרצה במכללת אפקה. צילום: WNF-193

"הבעיה הטכנולוגית היא אדירה: איך מחזיקים חומר בטמפרטורה של 100 מיליון מעלות בלי שהכול יימס? הפתרון הוא מגנטים עצומים שמחזיקים את הפלזמה 'באוויר' באמצעות שדות מגנטיים, כך שהיא לא תיגע בדפנות הפיזיות של הכור".

האם אנחנו קרובים לרגע שבו ניתן יהיה להפיק חשמל מאיחוי (היתוך) גרעיני בהיקף מסחרי?

"כאן צריך להיות זהירים. לפני כארבע שנים זה היה נושא מדעי טהור. היום זורמים מיליארדים מהמגזר הפרטי לתחום, וזה סימן שמשהו קורה. אבל יש עם זה בעיות.

"הנדסית - קשה להחזיק את המערכת יציבה לאורך זמן. כלכלית – כרגע אנחנו משקיעים יותר אנרגיה בהפעלת המתקן מאשר האנרגיה שמופקת ממנו. למרות שיש הצלחות מעבדתיות בארה"ב, המעבר לייצור המוני עוד רחוק. 

"אמנם הצליחו להגיע למצב של 'רווח אנרגטי נקי', אבל החישוב הזה לא לוקח בחשבון את האנרגיה העצומה שנדרשה כדי להפעיל את המערכות מסביב. אנחנו עדיין בשלב של הוכחת היתכנות".

מה לגבי טכנולוגיות אחרות, כמו כורים מודולריים קטנים (SMR)?

"כורי SMR הם שיפור של הטכנולוגיה הקיימת  של ביקוע גרעיני (Fission). אלה כורים קטנים ובטוחים יותר שניתן לייצר בייצור המוני. זה הרבה יותר ישים בטווח הקצר מאיחוי גרעיני. אבל האיחוי הוא העתיד המבטיח".

מתי, להערכתך, כן נראה איחוי גרעיני מסחרי?

"אני מעריך שלא נראה בעשר השנים הקרובות. אבל קצב ההתקדמות מואץ. זה יקרה, השאלה היא רק מי יגיע לשם קודם".

פיתוח ישראלי בהתהוות: כור גרעיני קומפקטי

במרוץ אל ההיתוך הגרעיני יש מקום של כבוד גם לסטארט-אפ ישראלי, nT-Tao מהוד השרון. בעוד המעצמות העולמיות משקיעות בפיתוח של כורי היתוך ענקיים, nT-Tao וחוקרים מאוניברסיטת בן גוריון מנסים לפתוח כור היתוך קומפקטי ("בגודל מכולה").

פיתוח עתידי של כור היתוך גרעיני קומפקטי זעיר, אילוסטרציה, צויר בעזרת ChatGPT

הפיתוח הישראלי מיועד למפעלים, עיירות ומרכזי נתונים לפיתוח הבינה המלאכותית. הוא מתבסס על טכנולוגיית בקרה מיוחדת (בקרים לא-ליניאריים), שאמורות להיות בנויות להתמודד עם השינויים הכאוטיים בתוך ליבת הכור, אתגר מרכזי בדרך להיתוך.

המחקרים על ההיתוך הגרעיני עברו בעשור האחרון ממחקר אקדמי טהור למירוץ מסחרי לוהט, עם למעלה מ-50 חברות פרטיות והשקעות של כעשרה מיליארד דולר. 

העניין המחודש בהיתוך קשור לביקוש העצום לחשמל ל-CD של ה-AI. חברות כמו מיקרוסופט, גוגל ואמזון מזרימות מיליארדים לפיתוח התחום. מיקרוסופט אף חתמה על הסכם רכש עתידי עם חברת Helion Energy העוסקת בו.

חלום ההיתוך הגרעיני נולד בשנות ה-50 של המאה הקודמת. עם פיתוח פצצת המימן, פיזיקאים סובייטים, ובראשם אנדריי סחרוב ואיגור תם, חיפשו דרך לרתום את הכוח הטמון בפצצה הזאת למטרות שלום. 

ב-1968, הסובייטיים הציגו נתונים חדשים על יציבות פלזמה, שהפתיעו את המערב לאחר שאושרו בידי מדענים בריטים.  

ההבדל בין הכורים הגרעיניים המוכרים לנו כיום (ביקוע) לבין ההיתוך הוא ההבדל שבין שבירה לחיבור. כורי ביקוע (Fission) פועלים על ידי ריסוק אטומים כבדים ובלתי יציבים כמו אורניום, תהליך שיוצר תגובת שרשרת, חום רב, ופסולת רדיואקטיבית שנותרת מסוכנת לאלפי שנים.

לעומת זאת, היתוך (Fusion) מחקה את פעולת השמש: הוא לוקח אטומים קלים של מימן ולוחץ אותם יחד עד שהם מתמזגים להליום, תוך שחרור אנרגיה אדירה ונקייה בהרבה.

היתרון הדרמטי ביותר טמון בבטיחות ובפסולת. בכור היתוך אין סכנה לאירוע התכה (Meltdown) כמו שהתרחש באסונות הדליפה הגרעינית בצ'רנוביל בפוקושימה. בנוסף, ההיתוך אינו מייצר פסולת גרעינית ארוכת-טווח הדורשת הטמנה לנצח.

עם זאת, בכורי ההיתוך קיימת כיום בעיה של דלק: הם דורשים שילוב של היסוד הנפוץ דאוטריום והיסוד הנדיר טריטיום. כיום, רוב הטריטיום המסחרי בעולם מיוצר דווקא בכורים גרעיניים רגילים והמלאי העולמי מצומצם.

מדענים עמלים על פיתוח שיטות לייצור טריטיום בתוך כור ההיתוך עצמו ("Breeding"), אך הטכנולוגיה עדיין בחיתוליה.