היתוך בכליאה מגנטית

היתוך בכליאה מגנטית (באנגלית בראשי-תיבות MCF) הוא שיטה להפקת אנרגיה גרעינית בתהליך היתוך גרעיני מבוקר באמצעות שדה מגנטי. השדה המגנטי משמש לכליאה של הדלק הגרעיני, הנמצא במצב פלזמה. כליאה מגנטית היא אחת משתי השיטות העיקריות הנחשבות כפוטנציאליות להפקת חשמל בכורי היתוך, כאשר השיטה השנייה היא היתוך בכליאה אינרציאלית. השיטה המגנטית מפותחת מאוד, ונחשבת כמבטיחה יותר עבור הפקת חשמל, אולם עדיין אין בנמצא שיטה מוכחת להפקת חשמל בצורה יעילה מהיתוך 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 חלקיקים גבוהה לזמן ארוך מספיק, כך שההיתוך יתקיים. השילוב בין תנאי הטמפרטורה, הצפיפות והזמן נקבע על-פי קריטריון לאוסון.

בשיטת הכליאה המגנטית, התנאים לתהליך ההיתוך מתקבלים על ידי שימוש במוליכות החשמלית של הפלזמה על-מנת לכלוא אותה באמצעות שדות מגנטיים. בשיטה זו ניתן להגיע ללחץ מסדר-גודל של 1 בר לפרק זמן של מספר שניות, והפלזמה הכלואה תמצא במצב יציב. זאת בניגוד לשיטת הכליאה האינרציאלית, בה הלחץ גבוה הרבה יותר, אולם זמן הכליאה קצר מאוד והפלזמה איננה יציבה עקב השימוש בעקרון ההספק המתפרץ.

הכליאה המגנטית מבוססת על סולנואיד שקווי השדה המגנטי ממוקמים לאורך צירו. על-מנת למנוע מהפלזמה "לברוח" מהקצוות ניתן ללפף את קווי השדה כך שיסגרו מעין מעגל, למשל בצורת טורוס. האתגר בשיטה זו הוא להתגבר על הגרדיאנטים הרדיאליים בשדה המגנטי, שגורמים לבריחה של הפלזמה מהמרכז.

 טוקמאק 

במהלך השנים נוסו מספר תצורות של כליאה מגנטית, אולם החל משנות ה-70 של המאה ה-20, התצורה השלטת והמבטיחה ביותר היא הטוקמאק (מרוסית, ראשי-תיבות של "תא בצורה טורואידלית עם שדה מגנטי לאורך הציר"). הרעיון פותח ברוסיה בצורה חשאית, והתפרסם לראשונה בשנת 1968. בתצורה זו מייצרים בפלזמה זרם מחזורי, המשרה שדה מגנטי סביב השדה הטורואידלי, כך שגרעיני הפלזמה מתקרבים ומתרחקים מדפנות התא במהלך תנועתם הסיבובית. 

בשנת 1991 נבנה טוקמאק גדול בשם START (ראשי תיבות באנגלית של "טוקמאק קטן בעל יחס הדוק") בעיר קולהם שבאוקספורדשייר באנגליה. התאוריה גורסת שהגדלה פיזית של המכשירים תגרור עמה שיפור ביעילות הפקת האנרגיה, ולכן מכשירים גדולים יותר ויותר נבנו בעולם. הטוקמאק הפעיל הגדול ביותר בעולם נכון לשנת 2014 הוא הטורוס האירופאי המשותף (JET) בקולהם, הפעיל משנת 1984. הטוקמאק בעל רדיוס ראשי של כ-3 מ', רדיוס משני של 1.25-2.1 מ' (בתצורות שונות), ונפח פלזמה של 100 מ"ק.

טוקמאק גדול אף יותר נמצא בבנייה בצרפת, ואמור להיות שלב ביניים בין כורי היתוך מדעיים להוכחת היתכנות ולמחקר (כמו JET), וכור היתוך תעשייתי ליצור חשמל. כינויו הוא פרויקט איטר (ITER), ומטרתו המוצהרת היא להיות כור ההיתוך הראשון שיפיק יותר אנרגיה, כתוצאה מתהליכי היתוך, מהאנרגיה שהושקעה. בניית המתקן החלה ב-2007, והפעלתו נדחתה מספר פעמים וצפויה כעת בשנת 2025. 

אף על פי ש-ITER עדיין איננו פעיל, כור ההיתוך הבא אחריו כבר נמצא בתהליכי תכנון, ומכונה DEMO. כור זה אמור להיות כור ההיתוך התעשייתי לייצור חשמל הראשון בעולם, שיתבסס על הצלחתו המצופה של ITER.

ראו גם
היתוך גרעיני
היתוך בכליאה אינרציאלית
פרויקט איטר
פלזמה (מצב צבירה)

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:פיזיקה גרעינית
קטגוריה:פיזיקת הפלזמה