טוקאמק קטן ויעיל יותר יכול ללכת בעקבות ההיתוך של ITER

תלוי את מי שואלים, כוח היתוך כבר כאן (אבל אף אחד לא ירכוש את עיצוב הסקריט שלי!), לעולם לא הולך לקרות (אז תפסיק לבזבז כסף!), או בעיה קשה שעשויה להיות פתרון חלקי לבעיה קשה עוד יותר בְּעָיָה. האחרון, בהיותם השקפתם של מדענים שפועלים בפועל בשטח, אובד לרוב בכל הרעש.

מתוך ערפל הדיון הזה, צץ לאחרונה אוסף מאמרים, כולם התמקדו בפרויקט היתוך מוצע: טוקאמק SPARC. אחד הדברים המפתיעים ב-SPARC הוא הגודל שלו. כשמגיעים לרוחב של קצת יותר מ-3 מ', SPARC יהיה קטן יותר מאשר טוקמקים הפועלים כיום, כמו JET, שרוחבו כמעט 6 מ'. ITER, שנמצא כעת בבנייה בצרפת, רוחב מעל 12 מ'. עם זאת, SPARC ו-ITER צפויים להיות בעלי ביצועים זהים בערך. שניהם צפויים להפיק יותר אנרגיה מהיתוך מאשר אנרגיית הכניסה הישירה, אם כי אף אחד מהם לא צפוי לייצר כוח שימושי.

אז למה ההבדל? ומה זה אומר האחרון חבילת ניירות לספר לנו על העיצוב?

מגנטים מותכים וקציני בטיחות מטורפים

בטוקאמקים, איך אתה משתמש בו לא משנה; הגודל משנה. מכשירים אלה מגבילים פלזמה חמה באמצעות שדה מגנטי בצורת סופגנייה. אחד משני אלה צריך להיות גדול כדי שהטוקאמק יעבוד. אם אתה יכול ליצור שדה מגנטי חזק יותר, אתה יכול לברוח עם טוקאמק קטן יותר ועדיין לקבל את אותה כמות הספק פלט.

השדות המגנטיים נוצרים על ידי סלילים הנושאים זרמים גדולים מאוד. יצירת הזרם היא לא באמת בעיה, אבל לשאת אותו במוליך כן. אם אתה משתמש במשהו כמו נחושת, הכוח שאבד להתנגדות של החוטים יהיה עצום, שכן אובדן החשמל גדל עם כיכר של הזרם. גרוע מכך, ככל שהנחושת מתחממת, ההתנגדות שלה עולה, מה שמוביל לייצור חום רב יותר, שלולית מבריקה של נחושת נוזלית, וקצין בטיחות שלא התרשם מאוד.

מגנטים מוליכים הם פחות או יותר האפשרות היחידה. אבל לכל מוליכים יש צפיפות זרם מקסימלית. תעלה על זה והמנצח יתחיל להראות התנגדות מסוימת. למרבה הצער, החומרים מהם עשויים מוליכי-על הם לרוב מוליכים רגילים גרועים. אי ציות לחוקי הפיזיקה כאן יוביל לקצין בטיחות כועס בצורה אפופלטית רואה חשבון ממושקף מנסה לחייב אותך על כמות גדולה של הליום ואולי גם חדש בִּניָן.

ברגע שאתה יודע את הזרם המקסימלי שאתה יכול לשאת, ניתן לקבוע את השדה המגנטי. מתוך כך, אתה בוחר כמה כוח אתה רוצה לייצר באמצעות היתוך, וזה קובע את גודל הטוקאמק. (בְּעֵרֶך; יש כמה פרטים חסרים בתהליך זה.)

בהתחשב בידע הזה, ובהתחשב בעובדה ש-ITER תוכנן עם מגנטים חדישים, תצטרך להסיק ש-SPARC התקשה לבצע את המתמטיקה הזו. מלבד ITER תוכנן בשנות ה-90 וה-2000. מאז, מוליכים בטמפרטורה גבוהה, בעלי ביצועים טובים בהרבה, התגלו והובאו לייצור מסחרי. באמצעות מוליכים מודרניים אלה, ניתן להכפיל את עוצמת השדה המגנטי, מה שמאפשר להקטין את גודל הטוקאמק במידה ניכרת.

העתיד כל כך מזהיר?

בעוד שגם ITER וגם SPARC נכנסים לטריטוריה לא ידועה, יש לא מעט הבדל בין שני הפרויקטים. ITER עוצב ונלמד עד לתואר n. צוותים של מדענים עבדו על כל היבט במשך עשרות שנים כדי לנסות לחזות את הביצועים של ITER. SPARC, כמכשיר קטן יותר, לא יכול פשוט להעביר את המספרים ולהקטין הכל בפקטור של שניים. האחרונים ניירות נסו להתמודד עם האתגר של דוגמנות העיצוב החדש.

הם מראים שבבסיסו, SPARC נראה בריא. הפלזמה צריכה להגיע לתנאים הנכונים. הפלזמה אמורה להיות מסוגלת לשמור על עצמה - היא יכולה לשאת זרם שיוצר שדה מגנטי שעוזר להגביל את עצמה - בערך באותו זמן כמו טוקאמקים בגודל דומה. זה נראה בסדר.

מצד שני, סביר להניח שחוסר היציבות יחמיר בגלל שהפלזמה צפופה יותר. בפרט, תופעות הנקראות מצבים מקומיים לקצה עלולות להתפתח מהר יותר ולהיות קשה יותר לדכא (או לצמצם). חוסר יציבות אלו מתרחשים בקצה הפלזמה ובמקרה הגרוע מובילים לפלזמה חמה שמתישה את עצמה על דפנות כלי הדם. חוסר יציבות אחרות מפריעות בדרכים שונות, מה שמוביל להפחתת הכליאה ולטמפרטורות נמוכות יותר, כך שבדרך כלל יש לשלוט בהן.

חוסר יציבות אלו, אם לא נשלט, עלול לגרום לזרמים מסיביים הזורמים בכלי הוואקום עם נזק רב. זה סוג התרחישים שגורם למהנדסי ITER סיוטים, והמצב לא שונה בהרבה עבור SPARC: זרמים גדולים, כל המכונה קופצת מהיסודות שלה, ואסונות דינמיים מהנים אחרים אפשרי. עם זאת, נראה שגם SPARC מתנהג באופן דומה לטוקמקים קיימים, כלומר, אי היציבות החזויה צריכה להיות ניתנת לשליטה.

שלולית מפנה של טונגסטן

איפה שהדברים באמת נראים שוליים זה במפנה. בכל טוקאמק, יש נקודת אפס בשדה המגנטי. חלקיקים לא סתם דולפים דרך האפס - הם מרססים כמו צינור אש. המפנה הוא המקום הנבחר שבו ריסוס החלקיקים הזה פגע במשטח.

אפילו בטוקמקים מהדור הנוכחי, חומרי ההסטה אינם שורדים זמן רב. ב-ITER, המפנה עומד להיות כפוף לתנאים קיצוניים עוד יותר. SPARC עשוי לגרום ל-ITER להיראות כמו חלב חם.

בתרחיש הכי פסימי שלהם, לבני טונגסטן יימסו באופן מחזורי ויתגבשו מחדש. במהלך תהליך זה, כנראה אטומי טונגסטן יחדרו אל פלזמת הליבה, מקררים אותה, ואולי אף יכבו את תגובת ההיתוך. פחמן, חלופה, הוא משטח הקרבה שאינו הורג את הפלזמה. אז פחמן עשוי להיות בשימוש ב-SPARC כדי שיוכלו להוכיח שההיתוך עובד.

אבל התוצאה הסופית של שימוש בפחמן תהיה מולקולות אורגניות עם אחוז גבוה של טריטיום - לא משהו שצריך להתעסק איתו. ובהחלט לא משהו שצריך לקחת בחשבון עבור כור מסחרי.

סוף המשחק

ההצלחה או הכישלון של היתוך נשענים על שלושה עמודי תווך: מדע, הנדסה וכלכלה. ITER ו-SPARC ישלימו את העמוד המדעי. בהנחה שאנחנו מבינים את הפיזיקה די טוב - ואני חושב שאנחנו מבינים - שני הטוקמקים יראו שכורי היתוך שיכולים לייצר חשמל שימושי אפשריים. ITER ילך צעד רחוק יותר מ-SPARC וידגים גם רבות מהדרישות ההנדסיות. את Tokamaks יהיה צורך לנקות באופן רובוטי, למשל, וזה בתוכנית של ITER. ניתן להעביר את התוצאות מ-ITER לכורי היתוך עתידיים.

בכל מקרה, עם עבודה מספקת, המקרה ההנדסי כנראה ייעשה. המקרה הכלכלי הרבה פחות בטוח. רוב חוקרי ההיתוך מודים בכך. הטוקמק הגדול בסגנון ITER הוא השקעה דומה למפעלים הגרעיניים של שנות ה-50. והתמורה (אם היא תגיע אי פעם) היא בסולם זמן דומה. אף אחד לא בטוח מי, אם בכלל, מוכן לסכן כל כך הרבה כסף על הסיכוי הזה. SPARC, על ידי הקטנת קנה המידה במידה ניכרת, הופכת את המקרה הכלכלי לטוב יותר על ידי קיצור טווחי הזמן.

באופן מוזר, בדיעבד, זה הופך את העיכובים ב-ITER לתאונה מזל. תארו לעצמכם אם ITER היה פורץ דרך ב-1990. עד שנת 2000, ITER היה פועל. הפיזיקה הייתה מעובדת. הדרך ההנדסית הייתה ברורה. וגם הכלכלה הייתה ברורה. בסביבה כזו, ייתכן שהדחיפה ל-SPARC לעולם לא הייתה מגיעה.

Journal of Plasma Physics, 2020, גיליון מיוחד