היתוך גרעיני

1. היתוך גרעיני אנרגיית השמש על כדור-הארץ המרכז הבינתחומי הרצליה קורס נפט ואנרגיה – גיאופוליטיקה, כלכלה, אסטרטגיה ובטחון מרצה: ד"ר עמית מור מגיש: דניאל וייס האם היתוך גרעיני עתיד להיות הפתרון האולטימטיבי לבעיית האנרגיה העולמית?

2. מבוא • כיום, כ-80 אחוז מצריכת האנרגיה מבוססת על דלקים פוסילים כמו נפט, פחם וגז-טבעי. • דלקים אלה נחשבים בעיני מדענים רבים כסיבה העיקרית להתחממות כדה"א בשל פליטת גזי חממה כמו מתאן ו- CO2 • שריפת דלקים פוסילים מלווים גם בפליטת גזים רעילים כמו CO1 וגופרית דו-חמצנית, אשר מהווים גורם עיקרי לזיהום אוויר ולפגיעה סביבתית ובריאותית. סרטון הסבר על היתוך גרעיני – http://www.youtube.com/watch?v=vDAZsPkTkMM

3. מבוא - המשך • התלות הגדולה בדלקים פוסילים מעניק למדינות וארגונים השולטים על אותם מאגרי דלק כוח והשפעה פוליטית וכלכלית – ולא אחת הביאו לכדי לסכסוכים ומלחמות על שליטה באותם מאגרים. • כמו כן, חוקרים צופים כי הביקוש לאנרגיה יזנק בעשורים הקרובים - ובאם לא ימצאומקורות אנרגיה משמעותיים חלופיים – לא ניתן יהיה לעמוד בביקושים העולים. לפיכך, יש למצוא מקור אנרגיה חלופי, זמין, זול ונקי - שיוכל לתת מענה לכל סוגיות אלה. (Montgomery, 2010)

4. מהו היתוך גרעיני? • היתוך גרעיני הינו תהליך בו שני גרעיני אטומים קלים מתמזגים ויוצרים גרעין אטום כבד יותר. כאשר התמזגות זו מתרחשת - חלק מהמסה של האטומים המקוריים הופכת לאנרגיה, כלומר, לחום. • כמות האנרגיה המשתחררת בתהליך ההיתוך תלויה אפוא במבנה האטומים המתמזגים. מדענים גילו כי כמות האנרגיה הגדולה ביותר משתחררת בהיתוך בין אטומי Deuterium ו-Tritium. • בסוף תהליך ההיתוך מתמזגים שני גרעיני האטומים לגרעין-אטום הליום יחיד. במקביל, לשחרור האנרגיה - משתחרר גם נויטרון, חסר מטען חשמלי. (Nersesian, 2007)

5. תהליך ההיתוך

6. התנאים הבסיסיים לביצוע היתוך על כדה"א • ראשית, יש להפריד בין גרעין האטום לאלקטרונים הסובבים אותו. "השלת האלקטרונים" מתבצעת ע"י הפיכת החומר למצב הצבירה הרביעי המכונה "פלזמה". בכדי ליצור פלזמה המתאימה להיתוך גרעיני יש להגיע לטמפרטורות גבוהות ביותר – עד כדי 100 מיליון מעלות צלסיוס. רק כך ניתן להתגבר על הדחייה החשמלית שיוצרים האטומים. • הפלזמה חייבת להיות מרוכזת וצפופה מספיק בכדי לגרום להיתוך. • הפלזמה צריכה להישמר במקום סגור ואטוּם בכדי למנוע בריחת האנרגיה. • יש לשמור על תנאים אלו לאורך זמן – עד אשר ההיתוך הגרעיני הופך להיות self-sustaining. (Ongena & Van Oost, 2006)

7. איך תראה תחנת כוח ההיתוך? • כור ההיתוך (בדומה לכור בתחנת ביקוע גרעיני) מבוסס על מנוע חימום, מטרתו העיקרית היא לחמם נוזל (מים, לדוגמא) וליצור קיטור עוצמתי המניע טורבינה המייצרת חשמל. • גז משולב Deuterium ו-Tritium המשמש כדלק מוזרם לתוך הכור ומחומם עד אשר נהפך לפלזמה הקרובה לטמפרטורת ההצתה. • לאחר ההצתה, תהליך ההיתוך מתעצם עד אשר מתקבלת בערה מתמשכת, כאשר כל דקה מוזרם דלק "קר" נוסף – שימשיך את תהליך ההיתוך. • פלטות ליתיום המקיפות את הכור סופחות את האנרגיה (חום) של הנויטרון המשתחרר בתהליך – ובאמצעות מוליכי חום, מחממים את המים לידי קיטור אשר מניע טורבינה. (Montgomery, 2010)

8. תחנת כוח מבוססת היתוך גרעיני כורהיתוך בטכנולוגית Tokamak

9. מהם היתרונות של היתוך גרעיני? • היתוך גרעיני, בניגוד לשימוש בדלקים פוסיליים, אינו פולט בשום שלב של התהליך גזי CO2, ולכן אינו משפיע על האטמוספרה או על ההתחממות הגלובלית המיוחסת ל- CO2. • תוצרי הלוואי של היתוך גרעיני (Tritium), לעומת אלה הנוצרים בביקוע גרעיני, נחשבים כבעלי קרינה רדיואקטיבית נמוכה ואורך חיים קצר. • הדלקים הדרושים בהיתוך גרעיני יחסית נפוצים בטבע: את ה-Deuterium ניתן למצוא במי-ים ואת ה-Tritium יוצרים באופן מלאכותי בביקוע ליתיום. • שלא כמו ביקוע גרעיני, תהליך ההיתוך אינו משתמש בכמויות גדולות של דלק – ולכן אין סכנה ל"התכה" (Melt-Down) של הכור, אלא במקרה הגרוע ביותר – להפסקת ייצור אנרגיה. (Nersesian, 2007)

10. מהם החסרונות של היתוך גרעיני? • הפיכתה של תיאוריית ההיתוך הגרעיני לתהליך מוחשי וכדאי דורשת משאבים רבים. המחקר והפיתוח בנושא זה יקרים ביותר. יש הטוענים כי היה ראוי להשקיע בטכנולוגיות אחרות של אנרגיה מתחדשת / ירוקה – אשר כבר הוכיחו את עצמן. • בנוסף, יש הטוענים כי אנרגיית ההיתוך תהיה זמינה רק בעוד 50 שנה ואף יותר – והיא למעשה לא נותנת מענה רלוונטי לביקושי הצריכה העולמיים העולים בעשורים הקרובים. • גם במקרה של היתוך גרעיני, עדיין קיים חשש לזיהום רדיואקטיבי מסוים, לפחות בסביבה המיידית של הכור. (Montgomery, 2010)

11. איפה אנחנו היום? פרויקט ITER("The Way"): • הוצע לראשונה ב-1985 ע"י ברית המועצות לארצות הברית, אירופה ויפן – פרויקט זה נושא את הרעיון להקים את הכור הראשון בעולם המבוסס על היתוך גרעיני – עד שנת 2025. • עד שנת 2004 הצטרפות לפרויקט מדינות נוספות: סין, דרום קוריאה והודו. • לאחר עיכובים בבחירת מיקום הכור (כל מדינה שאפה לזכות בבכורה) הוחלט כי הכור יבנה בקדרש, שבדרום צרפת, בזכות ניסיונה המוכח של צרפת בתחום ההיתוך הגרעיני וכן בשל הפתיחות היחסית של תושבי צרפת לאנרגיות גרעיניות.

12. איפה אנחנו היום? - המשך פרויקט ITER – המשך: • פרויקט זה מבוסס על שימוש בטכנולוגית Tokamak מתקדם ומטרותיו הינן מדעיות וטכנולוגיות גרידא. בסופו תוקם תחנת כוח אשר תייצר כמות מסוימת של חשמל (בטווח ה-500 MW). • באשר לעלויות הפרויקט, נטען כי סה"כ יושקעו בפרויקט (מו"פ, בנייה והפעלה למשך 10 שנים) כ-14 מיליארד דולר. • למרות חוסר היכולת להבטיח הצלחה כלשהי בפרויקט, מעצמות העולם (כל המדינות החברות במועצת הביטחון של האו"ם) משתפות פעולה בפרויקט – ופועלות להצלחתו. כור Tokamak (מאתר www.iter.org)

13. איפה אנחנו היום? - המשך פרויקט (High Power laser for Energy Research) HiPER: • פרויקט במימון הממשלה הבריטית והאיחוד האירופי בחרה בטכנולוגיית סופר-לייזרים בכדי לכווץ ולהצית את הפלזמה להחלת היתוך גרעיני (לעומת ה-Tokamak הרוסי שעושה שימוש במגנטי-על). • כך, לייזרים חזקים במיוחד ידחסו ויחממו את הפלזמה - עד שליחתה של קרן חזרה נוספת אשר תצית, ולמעשה תתחיל את תהליך ההיתוך.

14. איפה אנחנו היום? - המשך פרויקט HiPER- המשך: • כיום הפרויקט נמצא בשלב בחירת טכנולוגיית הלייזרים העדיפה ביותר לביצוע ההיתוך. עפ"י לוח הזמנים בניית הכור תחל ב-2014 ותמשך עד 2020. (מאתר www.hiper-laser.org)

15. סיכום ומסקנות • במהלך העשורים האחרונים התיאוריה, ולאחריה המחקר בנושא ההיתוך הגרעיני, ידעו עליות ומורדות: ביקורת רבה הושמעה בטוענה כי מדובר בטכנולוגיה יקרה ומסורבלת אשר תהיה זמינה רק בעוד יובל – ואף יותר מזה. • יחד עם זאת, נטען כי אם האנושות אכן מעוניינת להרחיב את מגוון אפשרויות האנרגיה העומד לרשותה בראייה ארוכת טווח – הרי שההיתוך הגרעיני הוא התשובה הניצחת, הבטיחותי והירוקה לביקושי האנרגיה העתידיים, הצפויים לעלות בעשרות מונים בעשורים הקרובים.

16. סיכום ומסקנות - המשך • בתוך כך, ניתן להיווכח כי ההיתוך הגרעיני מוביל גם להיתוך במישור המדיני-מדעי: מדינות מכל רחבי העולם משלבות ידיים ומשתפות פעולה מחקרית ופיננסית בראייה אסטרטגית משותפת – שת"פ שלא ניתן ליחס לאף מקורות אנרגיה/דלק אחרים. • לסיכום, ניכר כי דרושים עוד פיתוחים ומחקרים רבים בנושא ההיתוך הגרעיני עד אשר יהפוך לטכנולוגיה ישימה וזמינה. יתכן מאד ונאלץ להמתין ולחפש מקורות אנרגיה חלופיות עד אשר "אנרגית השמש" הזו – תפעל בתחנות כוח על פני כדור הארץ.

17. ביבליוגרפיה • Montgomery, Scott. (2010). The powers that be – Global energy for the 21th century and beyond. The university of Chicago: Chicago. • Lersesian, Roy. (2007). Energy for the 21th century. M.E. Sharp: New-York. • J. Ongena & G. Van Oost. (2006). Energy for Future Centuries - Prospects for Fusion Power as a Future Energy Source. Gent university – Belgium. • http://www.hiper-laser.org/ - The High Power laser for Energy Research Project. • http://www.iter.org/ - ITER International Project.