היתוך בכליאה אינרציאלית

היתוך בכליאה אינרציאלית (באנגלית: בראשי-תיבות ICF) הוא שיטה להפקת אנרגיה גרעינית בתהליך היתוך גרעיני מבוקר באמצעות חימום ודחיסה של הדלק הגרעיני. האנרגיה נאגרת בתנע או בהתמד (אינרציה) של החלקיקים הנדחסים, וכאשר הם מתנגשים במרכז המטרה, האנרגיה הקינטית הופכת לאנרגיה תרמית, והחומר מגיע לטמפרטורה גבוהה מאוד של עשרות ואף מאות מיליוני מעלות. בטמפרטורה כה גבוהה, החומר נמצא במצב פלזמה.

שיטת הכליאה האינרציאלית הוצעה לראשונה בשנות ה-70 של המאה ה-20, וזכתה להכרה רבה כאפשרות מעשית להפקת חשמל מהיתוך גרעיני. אולם, ניסויים שנערכו באותן שנים הראו שהיעילות של המתקנים הללו הייתה נמוכה הרבה יותר מהמצופה, בעיקר בגלל אי-יציבויות במהלך הקריסה, והגעה לתנאים של היתוך תהיה קשה מאוד. בשנות ה-80 וה-90 של המאה ה-20 נערכו ניסויים רבים על-מנת להבין את האינטראקציות המורכבות המתרחשות בצפיפות אנרגיה כה גבוהה. בנייתם של מתקנים גדולים הרבה יותר אפשרה לראשונה להגיע לתנאים הדרושים, ולהצתה גרעינית של הדלק. כליאה אינרציאלית היא אחת משתי השיטות העיקריות הנחשבות כפוטנציאליות להפקת חשמל בכורי היתוך, כאשר השיטה השנייה היא היתוך בכליאה מגנטית. יש לציין כי עדיין אין בנמצא שיטה מוכחת להפקת חשמל בצורה יעילה מהיתוך גרעיני.

עקרונות ההיתוך הגרעיני

ערך מורחב – היתוך גרעיני

בתהליך היתוך גרעיני מתמזגים גרעינים קלים לגרעינים כבדים יותר, ואנרגיה רבה נפלטת מכיוון שסכום מסות הגרעינים הקלים גבוה מסכום מסות הגרעינים הכבדים. הפרש המסה הופך לאנרגיה על-פי הנוסחה e=mc², כאשר e האנרגיה, m הפרש המסה, ו-c מהירות האור. תהליך ההיתוך יחל כאשר הגרעינים יימצאו בקרבה גבוהה מאוד זה לזה, כלומר יש להתגבר על הדחייה החשמלית ביניהם, ולכן יש להביא את החומר לטמפרטורה גבוהה מאוד של עשרות מיליוני מעלות. בטמפרטורות אלו החומר יימצא במצב פלזמה. בנוסף, יש לשמור על צפיפות גבוהה לזמן ארוך מספיק, כך שההיתוך יתקיים. השילוב בין תנאי הטמפרטורה, הצפיפות והזמן נקבע על-פי קריטריון לאוסון.

איור סכמטי של שלבי ההיתוך בכליאה אינרציאלית באמצעות לייזרים. החצים הכחולים מסמלים קרינה; בכתום מסומנת פליטת חומר; בסגול מסומנת אנרגיה תרמית המועברת למרכז המטרה.
1. קרני הלייזר (או קרינת רנטגן בתצורה העקיפה) מחממות במהירות רבה את הקליפה של המטרה, ושכבת פלזמה נוצרת.
2. הדלק נדחס על ידי המשטח הקורס.
3. לקראת סוף הדחיסה, הדלק מגיע לצפיפות גדולה פי 20 מזו של עופרת, ומתקבלת הצתה בטמפרטורה של 100 מיליון מעלות קלווין.
4. הצתה תרמו-גרעינית מתרחשת בדלק הדחוס, ומתרחשת פליטה אנרגיה רבה הרבה יותר מהאנרגיה שהושקעה במערכת.

שימוש בלייזרים

התצורה המבטיחה ביותר להגעה לתנאים הדרושים להיתוך גרעיני בכליאה אינרציאלית היא באמצעות לייזרים רבי עצמה, והמתקן הגדול ביותר המשתמש בכליאה אינרציאלית הוא מתקן ההצתה הלאומי (National Ignition Facility - NIF) אשר במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה, שבארצות הברית.

כדורית דלק גרעיני הנמצאת בשימוש במתקן ההצתה הלאומי. הכדורית יכולה להכיל דאוטריום וטריטיום בצורת גז או מוצק ("קרח"). בתצורה העקיפה, הכדורית נמצאת בתוך ההולוראם.

הדלק הגרעיני מוחזק לרוב בכדוריות המכילות דאוטריום וטריטיום. על-מנת לדחוס ולחמם את הדלק, אנרגיה רבה מוענקת לשכבה החיצונית של המטרה באמצעות לייזרים רבי עצמה. השכבה החיצונית מתפוצצת, ומפעילה כוח רב גם פנימה, לכיוון המרכז, ומביאה לקריסה מהירה של המטרה. המערכת מתוכננת כך שייווצרו גלי הלם רבי עצמה, שיגרמו לדחיסה, ולכן לחימום, של הדלק על-מנת להביאו לתנאים הדרושים להיתוך גרעיני. מטרת התהליך היא הגעה לתנאים של "הצתה", כלומר תחילתה של תגובת שרשרת גרעינית שבמהלכה חלק ניכר מהדלק יעבור היתוך. גודלן הטיפוסי של כדוריות דלק הוא כגודל ראש של סיכה, והן מכילות כ-10 מיליגרם של דלק. רק חלק קטן מהדלק עובר היתוך, אולם בגלל האנרגיה הרבה המשתחררת מהיתוך בודד, כמות זו שקולה לשריפה של חבית נפט.

תמונה של ההולוראם המשמש בתצורה העקיפה. קרני הלייזר מגיעות משני צדי המטרה, פוגעות בחלק הפנימי של ההולוראם, וגורמות לפליטה אחידה של קרינת רנטגן לכיוון מרכז הגליל, על-מנת לדחוס את כדורית הדלק. הקרניים החזקות שזולגות החוצה נראות בתמונה בצבע כתום/צהוב.

ניתן גם להשתמש בשיטה "עקיפה", בה קרני הלייזר פוגעות בהולוראם (Hohlraum), מטרה בצורת גליל העשויה לרוב מזהב, ומחממות אותו לטמפרטורות גבוהות מאוד. בתצורה זו, כדוריות הדלק הגרעיני נמצאות בתוך ההולוראם. כתוצאה מהחימום, ההולוראם פולט קרינת רנטגן בהתפלגות חלקה, והן שגורמות לדחיסה של כדורית הדלק.

ב-5 דצמבר 2022, חוקרי מתקן ההצתה הלאומי השתמשו בהצלחה ב-2.05 מגה-ג'אול של אנרגית לייזר להצתת היתוך גרעיני של כדורית דיאוטריום-טריטיום קפוא שהוצבה בתוך הולוראם. ההיתוך הגרעיני שנוצר הפיק 3.15 מגה-ג'אול, יותר מאנרגית הלייזר שהציתה את ההיתוך.

Z-Pinch

תצורה נוספת לשימוש בהיתוך בכליאה אינרציאלית הוא ה-Pinch (מלשון צביטה או מעיכה). בתצורה זו, שדה חשמלי עוצמתי מופעל על מטרה כלשהי וגורם ליינון ולהפיכתה לפלזמה. כתוצאה מהשדה ומהמוליכות החשמלית הגבוהה של הפלזמה, זרם חשמלי חזק זורם בפלזמה בזמן קצר. כתוצאה מהזרם, מושרה שדה מגנטי חזק, וכוח לורנץ דוחס את החלקיקים הטעונים כלפי המרכז. בתור מטרה ניתן להשתמש בגז או בחוטים דקיקים של מתכת. מקור השם נעוץ בעובדה שהכיווץ מתרחש כלפי ציר ה-Z הווירטואלי של המערכת, ובסיומו מתקבלת פלזמה חמה וצפופה על הציר.

התחום נמצא בפיתוח בשנות ה-50 של המאה ה-20, ונחשב בעבר למבטיח ביותר לשם השגת היתוך גרעיני מבוקר. אי-יציבויות במבנה הפלזמה שנתגלו במהלך המחקר הראשוני, ובעיקר אי-יציבות ריילי-טיילור, מקשות מאוד על התפתחות תנאים הדרושים להשגת היתוך גרעיני, ולכן התחום ננטש לשנים רבות. בשנות ה-90 של המאה ה-20 בוצעה קפיצת דרך על ידי מדעני המעבדות הלאומיות סנדיה אשר בניו מקסיקו בארצות הברית, בהן נמצא מתקן ה-Z-Pinch הגדול בעולם.

ראו גם

• היתוך גרעיני
• היתוך בכליאה מגנטית
• פרויקט איטר
• פלזמה (מצב צבירה)

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא היתוך בכליאה אינרציאלית בוויקישיתוף

• אורי טייכמן, מכון דוידסון, היתוך גרעיני: התקדמות מעודדת, באתר ynet, 9 בספטמבר 2021