עידן חדש בטכנולוגיית ההיתוך הגרעיני

MIT Energy Initiative / יוני 2018

בתשעה במרץ, 2018 הודיע המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס ( MIT ) על שיתוף פעולה ראשון מסוגו לקידום של אנרגיית-היתוך נטולת פחמן. חברת האנרגיה האיטלקית ‘אני’, אחת החברות שייסדו את יוזמת האנרגיה ב- MIT, הגיעה להסכם עם המכון למימון מחקר בנושא פרויקטים של היתוך. החברה הכריזה שמעבר למימון בסך שני מיליון דולר למחקרים עצמם, היא תשקיע כחמישים מיליון בחברה פרטית שהחלה דרכה במכון. המטרה הכוללת של המחקר היא לפתח מפעל חלוץ של היתוך ב-15 השנה הקרובות.

“לשיתוף פעולה זה של המכון הטכנולוגי, ‘אני’ ו- Commonwealth Fusion Systemsיש פוטנציאל משמעותי להפוך אנרגיית היתוך בהיקף מסחרי למציאות”, אומר רוברט ק. ארמסטרונג, מנהל יוזמת האנרגיה של המכון ופרופסור להנדסת חומרים. “אם נהפוך את ההיתוך לעניין מסחרי, הוא יוכל לקבל את מעמדו המרכזי באנרגיה דלת פחמן – מה שיסייע לענות על הביקוש ההולך וגדל לאנרגיה, תוך התחשבות בבעיית שינוי האקלים”.

ההיתוך הוא מתודה ייחודית משום שמדובר בטכנולוגיה שהיא נטולת פחמן לחלוטין, לייצור על פי דרישה או לאספקה רציפה בעומס בסיסי, עם אספקת בלתי מוגבלת של דלק וללא סיכון לריאקציה שיוצאת משליטה וללא בזבוז ארוך טווח. היא מייצרת גם אנרגיה תרמית, כך שניתן להשתמש בה כחימום כמו גם כחשמל. עם זאת, יש עוד הרבה עבודה כדי להשלים את התכנון ואת הכלכליות של תחנות כוח זעירות הפועלות על אנרגיית היתוך.

החברה המדוברת מתכננת להשתמש במימון של ‘אני’ לקדם מחקר ופיתוח של היתוך באמצעות מגנטים מוליכי על, אשר בתורם יאפשרו את הייצור של מכשירים זולים וקטנים יותר ש’מרכז ההיתוך ומדעי הפלזמה של המכון הטכנולוגי’ כבר בוחן היתכנות שלהם. ההתקדמות בתחום הזה התאפשרה תודות למימון פדרלי של מחקרי הבסיס.

חברת ‘אני’ תממן מיזמי מחקר ב-LIFT – ‘מעבדה לחדשנות בטכנולוגיות היתוך’ אשר עוסקת בפתרונות מכווני היתוך. “אנחנו נרגשים מהמימון של ‘אני’ ונתמקד בטכנולוגיה הכי פורצת דרך שיש ואת הסטודנטים במכון ננתב לעסוק בכך באופן מוגבר, שכן מדובר בתלמידים שמתמחים בחדשנות”.

חברתCFS  תחבור גם ליוזמת האנרגיה של המכון, בסוג חדש של מסלול שייתפר במיוחד למידות של סטארט-אפ בתחום האנרגיה. הדבר יאפשר לחברות יזמיות ולחברות גדולות ומבוססות יותר ללמוד זו מזו, לחלוק את הידע של סקטור האנרגיה ולהאיץ את ההתמסחרות של טכנולוגיות חדשות על מנת לשפר את מערכות האנרגיה העולמיות.

מערכת ההיתוך המבוקר

התמודדות עם בעיות היתוך

החלק הפנימי של מכשיר היתוך מוגדר סביבה קיצונית. יצירת אנרגיה מהיתוך דורשת התנגשות של יסודות כימיים קלים כגון מימן, על מנת ליצור יסודות כבדים יותר – הליום, תהליך שמשחרר כמות עצומה של אנרגיה. התהליך הזה מתרחש בטמפרטורה שהיא חמה מדי לחומרים מוצקים, מה שמחייב שימוש במגנטים שיחזיקו את הפלזמה הרותחת במקומה.

אחד הפרויקטים ששתי החברות מתכננות להוציא לפועל הוא חקר ההשפעות של שדות מגנטיים גבוהים על הדינאמיקה של הנוזלים בנתכים של מלח. אחד היסודות המרכזיים של מפעל ההיתוך הניסויי שנחקר כעת ב-LIFT, הוא המעטפת להשקעה בנוזל, שהיא בעקרון בריכה של מלח מותך שמקיפה לחלוטין את ליבת אנרגיית ההיתוך. למעטה הזה יש שלוש מטרות: להמיר את האנרגיה הקינטית של הניטרונים של ההתכה לחום, אשר בתורו ייצר חשמל, להפיק טריטיום, רכיב מרכזי של הדלק הגרעיני וכן, מניעת הנויטרונים מלהגיע לחלקים אחרים של המכונה, מה שיגרום נזק.

החוקרים מוכרחים שתהיה להם האפשרות לנבא כיצד ינועו נתכי המלח בתוך מעטה מושקע מעין זה, כשיהיו נתונים לשדות מגנטיים גבוהים כל כך כמו אלו שנמצאו במתקן ההיתוך. החוקרים והצוותים שלהם מתכננים לחקור את ההשפעות הדינאמיות שבין הכוחות של המגנט למים על הדינאמיקה של נוזלי המלח.

 

היסטוריה של חדשנות

במהלך 23 השנים שבהן פעל ב-MIT מכשיר ה”טוקמק” (שבו מגנטים מוליכי-על אמורים לכלוא פלזמה שתהיה צפופה וחמה דיה ליצירת היתוך) Alcator C-Mod הוא חזר והגדיל את הלחץ על הפלזמה. העיצוב הקומפקטי והשדה המגנטי הגבוה הצליחו לכלוא פלזמה בחימום-על ובתא זעיר בצורת, ובכן, סופגנייה!

“המפתח להצלחה זו היה החידושים שהושגו לפני יותר מעשרים שנה, כאשר פיתחו מגנטים מנחושת שהצליחו להשיג גישה לשדות הרבה יותר מאשר בניסויי היתוך אחרים”, כך לפי מרטין גרינוואלד, מנהל בכיר ב-PSFC. השילוב בין פיתוח של טכנולוגיה חדשנית לבין מדע היתוך מתקדם נמצאת בדנ”א של “המרכז למדעי הפלזמה וההיתוך”.

בהפעלה האחרונה שלו בשנת 2016, אותו טוקמק קבע שיא עולמי חדש בלחץ שמופעל על פלזמה, המרכיב המרכזי לייצור אנרגיה מהיתוך. מאז, החוקרים בחברה השתמשו בדאטה שהופק באותם עשורים של ניסויים בטוקמק על מנת להמשיך ולקדם את מחקר ההיתוך. רק בשנה שעברה הם השתמשו בדאטה שהפיק אותו Alcator C-Mod ליצירת מתודה חדשה לחימום של פלזמה להיתוך במכשירים מעין אלו, אשר ייוצרו מחימום יונים לאנרגיות בסדרי גודל גדולים ממה שהצליחו להגיע אליו עד כה.

 

מחויבות לאנרגיה דלת פחמן

יוזמת האנרגיה של המכון הטכנולוגי נועדה לקדם פתרונות לאנרגיה דלה בפחמן או נטולת פחמן, כך שיענו ביעילות על הצרכים ההולכים וגדלים לאנרגיה בעולם. השלמת המשימה הזו מחייבת שיתוף פעולה בין האקדמיה, התעשייה והממשל, קשרים שהיוזמה מסוגלת לפתח בזכות המעמד שלה כמרכז מולטי-דיסציפלינרי.

טוקמק של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס