לפני שנה, האנושות הבינה את רווח האנרגיה הנקי של תגובת היתוך גרעיני בפעם הראשונה. במהלך השנה הזו, NIF שופרה ללא הרף ומימשה בהצלחה עוד שלוש הצתות, ושברה מספר שיאים ברציפות! לאחרונה, המדען הראשי של הפרויקט נבחר לאחד מ-10 האנשים המובילים של השנה בטבע...
לפני שנה, האנושות הבינה את רווח האנרגיה הנקי של תגובת היתוך גרעיני בפעם הראשונה. בשנה זו, NIF המשיכה להשתפר, ואז מימשה בהצלחה שלושה הצתות, ושברה מספר שיאים! רק לאחרונה, המדען הראשי של הפרויקט, אך גם נבחר כאחד מעשרת האנשים הטובים ביותר של השנה בטבע.
14 בדצמבר בשנה שעברה, לורנס ליברמור המעבדה הלאומית (LLNL) בפעם הראשונה להשיג הצלחה בהצתה מבוקרת של היתוך גרעיני, עבור כל האנושות להוריד את האנרגיה הנקייה "הגביע הקדוש" -
לאחר אספקת 2.05 מגה-ג'אול (MJ) של אנרגיה למטרה, הופקה תפוקת אנרגית היתוך של 3.15 MJ עם רווח אנרגיה של כ-1.5.
ב-30 ביולי 2023, המעבדה השיגה את אנרגיית הפלט הראשונה אי פעם של 3.88 MJ, הגבוהה ביותר אי פעם.
ב-30 באוקטובר, המעבדה קבעה שיא נוסף - 2.2 מגה-ג'אול של אנרגיה מבוא הושגה לראשונה. בינתיים, אנרגיית הפלט של 3.4 מגה-ג'אול דורגה במקום השני.
מול 'הצתה' מוצלחת שוב ושוב, גם טבע פרסמה בהתרגשות מאמר שאומר - היתוך לייזר עומד להיכנס לעידן חדש לגמרי.
ניתן להעלות על הדעת שכאשר יתממש לבסוף היתוך גרעיני מבוקר, תהיה לאנושות אפשרות להשיג כמויות אדירות של אנרגיה נקייה נטולת פחמן בפעם הראשונה בהיסטוריה, מה שיחולל מהפכה במפת הדרכים של האנרגיה לעתיד.
במילים אחרות, עד אז כבר לא יהיו גזי חממה משריפת פחם ונפט, לא יהיו יותר פסולת רדיואקטיבית מסוכנת וארוכת חיים – לאנושות תהיה גישה ל'אנרגיה נקייה' במובן האמיתי של המילה.
המשמעות היא שמחסור האנרגיה שפקד את האנושות מאז שנכנסנו לעידן החשמל ייעלם. האנושות אפילו יכולה לממש פריצות דרך טכנולוגיות חסרות תקדים באנרגיה הכוכבית שהביאה היתוך גרעיני מבוקר.
אבל קודם כל נחזור למציאות.
הקושי האמיתי לגרום ללייזר לספק כמויות עצומות כל כך של אנרגיה הוא כיצד להגן על האופטיקה היקרה של ה-NIF מפני נזק על ידי פסולת.
NIF היא מערכת הלייזר היחידה בעולם שיכולה לפעול מעל סף הנזק, וזה בין השאר בשל מחזור ההתאוששות האופטי שפותח במעבדה.
אופטיקה משופרת
ביוני 2023 השלימה NIF שני שיפורים מרכזיים שהיו קריטיים להשגת 2.2 מגה-ג'אול של אנרגיה מבוא.
אלה כוללים שימוש במיגון פסולת סיליקה ממוזגת על שני שלישים מקווי הקרן של NIF והתקנת מיגון מתכת על 32 קווי אלומה של חצי הכדור התחתון.
שיפורים אלה הפחיתו את קצב הנזק שנגרם על ידי פסולת בפקטור של 10 עד 100, בהתאם לקו הקרן. האופטיקה בקווי האלומה התחתונים קיבלה הכי הרבה פסולת מתא המטרה בגלל כוח הכבידה.
שיפורים נוספים כוללים ציפוי אנטי-רפלקטיבי חדש, טיפול בהקסמתיל-דיסילוקסאן (HMDS) והגדלת קיבולת מחזור המחזור האופטי. כמו גם 'חוסם קצוות אפור' חדש לבעיה שמדענים טרם הגדירו אותה במלואה.
יותר מסתם עלייה באנרגיה
אנרגיה מוגברת לבדה אינה מספיקה כדי לקיים את פריצות הדרך המדהימות שעשתה NIF במדע - ה
פעימות לייזר נמשכות רק כמה מיליארדיות השנייה, ולכן נדרש דיוק מופלג כדי להשיג את התוצאות הרצויות.
כדי להשיג מטרה זו, הצוות השלים לאחרונה את הפריסה של מערכת High Fidelity Pulse Shaping (HiFiPS).
פרויקט רב-שנתי, HiFiPS מאפשר עיצוב דופק מדויק ומדויק יותר, אשר בתורו מאפשר איזון כוח טוב יותר ושליטה בסימטריה בהתפרצויות.
בנוסף, הצוות שיפץ את הסיבים האופטיים במתקן כדי להפוך אותם לסובלניים יותר לחשיפה חוזרת של נויטרונים. סיבים אלו משמשים למדידה מדויקת של דופק הלייזר המועבר למטרה.
כתוצאה ישירה מהשיפוץ, עוצמת האות הוגדלה בפקטור של 10 עד 100, והחוקרים הצליחו להמשיך 'לצפות' במדויק בביצועי הלייזר.
עם זאת, יש עוד דרך ארוכה לעבור מהמצב הנוכחי של האמנות למימוש אספקת אנרגיית היתוך לרשת.
למרות של-NIF יש את הלייזר הגדול בעולם כיום, המערכת אינה יעילה ביותר, כאשר יותר מ-99% מהאנרגיה בכל הצתה אבדה לפני שהיא מגיעה ליעד שלה.
ופיתוח מערכת לייזר יעילה יותר היא יעד מרכזי של תוכנית המחקר החדשה של DOE שהושקה לאחרונה בהיתוך אינרציאלי.
המחלקה הודיעה לאחרונה כי תשקיע 42 מיליון דולר על פני ארבע שנים כדי להקים שלושה מרכזי מחקר חדשים שיעבדו יחד כדי להשיג את זה והתקדמות מדעית אחרת.
כל אחד מהמרכזים הללו יכלול מעבדות לאומיות, חוקרי אוניברסיטאות ושותפים בתעשייה.
ואחת הדמויות המרכזיות בתוכנית ההיתוך כולה, הפיזיקאית אנני קריצ'ר, הצליחה להיכנס גם לעשרת אנשי המדע המובילים של השנה של הטבע.
בשנת 2022, אנני קריצ'ר השיגה מטרה במתקן ההצתה הלאומי (NIF) שהיה חמקמק במעבדות ברחבי העולם במשך עשרות שנים ודחס אטומים עד כדי קיצון עד שהגרעינים שלהם התמזגו והפיקו יותר אנרגיה מאשר התגובה עצמה צרכה.
אבל לאחר שהגיע לאבן דרך ניסיוני זו (כלומר, הצתה), הצוות היה בלחץ לחזור על ההישג.
מחקר עם הימור גבוה רק לעתים רחוקות עובר חלק: הצוות ערך את השכפול הראשון שלו ביוני, אבל התוצאות היו גרועות.
למרבה המזל, הניסיון השלישי הצליח.
ב-30 ביולי, קרן לייזר 192-של ה-NIF ירה 2.05 מגה-ג'אול של אנרגיה לעבר כדורים קטנים של איזוטופי המימן דאוטריום וטריטיום התלויים קפואים בגליל זהב.
ההתפרקות שהתקבלה גרמה לאיזוטופים לשחרר אנרגיה כשהם התמזגו להליום וייצרו טמפרטורות פי שש מליבת השמש.
בסופו של דבר, אלה יצרו שיא של 3.88 מגה-ג'אול של אנרגיית היתוך.
במבט מסביב לעולם, אף מעבדה לא הצליחה לממש תגובת היתוך המפיקה יותר אנרגיה ממה שהיא צורכת עד ש-NIF השיגה את ההישג הזה.
לאחר מכן, קריצ'ר והצוות שלה ביצעו בהצלחה שתי הצתות נוספות באוקטובר, והביאו את הסכום הכולל לארבע.
קריצ'ר החלה לחקור אנרגיית היתוך כשהייתה מתמחה בקיץ בליברמור ב-2004. עד מהרה היא שמה את כוונתה על NIF - אחד המקומות הבודדים בעולם שבהם ניתן לחקור את תגובות היתוך.
מאז היא הובילה צוות שמנתח נתוני ניסוי ומשתמש במודלים ממוחשבים לתכנון ניסויים - על ידי התאמת פרמטרים כמו גודל ותצורת המטרה והאנרגיה והתזמון של קרני הלייזר השונות - כדי להשיג ולהגדיל את תפוקות היתוך. לאחר שהצוות שלה משלים את התכנון, צוות הניסוי משתלט על ירי הלייזרים ואיסוף הנתונים.
התהליך הראה שקריצ'ר יוצאת דופן, וזה הוביל לכך שהיא הפכה לאחת המעצבות המובילות ב-NIF ב-2016.
במהלך השנים הבאות, קריצ'ר והצוות שלה חיברו מספרים ושיפרו את העיצוב של תוכנית הניסוי הראשית של NIF. תוך כדי ביצוע שינויים שונים ביעד, הצוות גם ניצל שיפורים שונים כדי להגדיל את האנרגיה הכוללת של הלייזר. התוצאה היא שהיתוך גרעיני מתממש, בתדירות גבוהה יותר ויותר.
עם הצלחת 'הצתה', קריצ'ר החל בסדרה חדשה של ניסויים - הגדלת התפוקה שוב על ידי אספקת יותר אנרגיית לייזר לקפסולת מטרה עבה יותר.
וזה מייצג צעד נוסף לקראת השגת עשרות טרה-ג'אול או תשואות גבוהות אף יותר ב-NIF.
פיוז'ן מבוקר, הגביע הקדוש של אנרגיה נקייה
במילים פשוטות, היתוך גרעיני הוא התהליך שבו שני גרעיני אטום קלים מתחברים ליצירת גרעין כבד יותר ומשחררים כמות עצומה של אנרגיה.
שני אטומי מימן מתנגשים ומתפלמרים ליצירת אטום הליום, בעל מסה קטנה במעט מאטום המימן המקורי. לפי משוואת המסה-אנרגיה האיקונית של איינשטיין E=mc², הפרש המסה הזה הופך לפרץ של אנרגיה.
בליבת השמש מתרחש היתוך של 620 מיליון טון מימן בכל שנייה. האנרגיה המופקת היא המקור לכל החיים על פני כדור הארץ.
אבל אחד האתגרים הגדולים בניצול היתוך גרעיני הוא כיצד להפוך את האנרגיה המשתחררת מתגובת ההיתוך לגדולה מהקלט האנרגיה ולהפוך את התהליך לבר-קיימא.
עקרון ההצתה של NIF
בשנות ה-60, קבוצה של מדענים פורצי דרך ב-LLNL העלתה השערה שניתן להשתמש בלייזרים כדי לגרום להיתוך גרעיני במסגרת מעבדה.
רעיון מהפכני זה התפתח לאחר מכן לאיחוי כליאה אינרציאלית בהנהגתו של הפיזיקאי ג'ון נוקולס.
כדי לממש את הרעיון הזה, LLNL בנתה סדרה של מערכות לייזר חזקות יותר ויותר, שהגיעו לשיא ב-NIF הגדול והאנרגטי ביותר בעולם.
בניסוי, הלייזרים חיקו את התנאים במרכז השמש על ידי איחוי איזוטופי מימן כבדים, דאוטריום וטריטיום, להליום.
תחילה, הוכנסו מספר כדורי מימן למכשיר בגודל של גרגיר פלפל, ולאחר מכן נעשה שימוש בלייזר קרן 192- רב עוצמה כדי לחמם ולדחוס את דלק המימן.
הלייזרים, עם כניסתם לטורוס, פוגעים בקירות הפנימיים וגורמים להם לפלוט קרני רנטגן, שיכולות לחמם אותו ל-100 מיליון מעלות צלזיוס - חם יותר ממרכז השמש - ולדחוס אותו ליותר מ-100 מיליארד פעמים. הלחץ האטמוספרי של כדור הארץ.
לייזרים בעלי אנרגיה גבוהה יעשו פלזמה של פני הכתם, ושאר החומר המרכזי, המונע על ידי החוק השלישי של ניוטון, יתמוטט בסופו של דבר לכיוון המרכז ויתפוצץ.
בזמן ההתפרקות, תגובת שרשרת - או "הצתה" - יכולה להתרחש אם מפעילים את הכמות הנכונה של חום ולחץ על גלולת הדלק, אשר לאחר מכן משחררת כמות גדולה של אנרגיה.
פלאי הנדסה
מתקן ההצתה הלאומי (NIF), המאפשר את כל האמור לעיל, הוא גם הישג יוצא דופן בהנדסה ובטכנולוגיה.
מדעני חומרים ופיזיקאי לייזר עבדו עם מהנדסים כדי לתכנן מתקן המכיל 7,500 אופטיקה גדולה, 26,000 אופטיקה קטנה, ויותר מ-66,000 נקודות בקרה.
אופטיקה זו ורכיבים אחרים כלולים בכ-6,200 יחידות מודולריות מורכבות הנקראות יחידות להחלפה קו (LRUs). ניתן להחליף אותם במהירות בעת הצורך כדי להבטיח תפעול רציף של המתקן.
דופק הלייזר NIF עובר קילומטר אחד ולוקח 4.5 מיקרו שניות מהיווצרות הפולס הראשוני בתא המתנד הראשי ועד להגעה למטרה. הפרש הזמן להגיע למרכז תא המטרה הוא 30 פיקושניות עם דיוק של 50 מיקרון.
השגת סוג זה של יציבות הצבעה ודיוק מוחלט על המטרה היא אתגר הנדסי עצום, הדורש יציבות יציבה של מערכת התמיכה האופטית, מיקום ויישור מדויקים של הרכיבים ומערכת תזמון ממוחשבת מדויקת בקפדנות.
כדי לעמוד באתגרים הללו, כל המבנים התומכים במראות והעדשות של NIF תוכננו תוך מחשבה על יציבות קיצונית.
צוות ההנדסה חישב בקפידה את ההשפעות האפשריות על רכיבי הלייזר, בדרך כלל מראות הלייזר, עבור כל מקורות הרטט כולל משאבות, מנועים ושנאים.
Through careful modeling, both vibration (>1Hz) וסחיפה (<1Hz) were designed to be met. Test results show that the prototype beamline can perform at or better than the 50 micron requirement.
בנוסף, כדי להבטיח שמרכיבי הקרן לא ישפיעו על מרווח הגחון של הלייזר, הצוות השתמש בטכניקות מדידה מדויקות, וכתוצאה מכך רשת מדידה קפדנית ומיקום פיזי מבוקר של כל רכיבי הקרן. המיקומים של כל בתי הקורות, מערכות התמיכה ותאי המטרה היו מדויקים עד לרבע מילימטר.
מידע זה נמסר לאחר מכן לצוות התכנון, אשר תכנן את המבנה גם בקשיחות מספקת וגם בשיכוך, כך שתגובת המבנה לרעידות הקרקע ולרעידות צפויות מציוד הבנייה עמדו בדרישות היציבות הכוללות.
הבטחה שכל 192 קרני הלייזר הגיעו בתוך 30 הפיקושניות שצוינו הושגה באמצעות מערכת תזמון מדויקת באמצעות מערכת לוויינית GPS אשר מעדכנת כל הזמן את השעון הפנימי. תוכנה וחומרה משולבות עוקבים ומעדכנים כל הזמן את התזמון כדי לשמור על דיוק.
כל ממשק מכני מתוכנן לסובלנות טובה יותר מ-300 פמט שניות (שלוש טריליון שניות), כך שניתן לשנות LRUs בכל עת כדי לשמור על דיוק התזמון. בנוסף, תוכנית מבוקרת היטב שומרת על תזמון מערכת עבור כל LRU.
אמנם, אנחנו לא באמת יכולים ליישם היתוך גרעיני לייצור חשמל עם המכשיר הזה עדיין.
אבל בקנה מידה של 60 שנה, האנושות עשתה פריצת דרך גדולה.
לעתיד, אולי נוכל גם להחזיק יותר דמיון.
