כורי היתוך.

כוכב בצנצנת

כדי להתיך דאוטריום וטריטיום, פלזמה צריכה להגיע לכ־150 מיליון קלווין, פי עשרה מהטמפרטורה במרכז השמש. היתוך גרעיני מסביר למה היא חייבת להיות חמה כל כך. הערך הזה עוסק בחלק הקשה יותר: להשאיר אותה כך.

שום חומר מוצק לא שורד מגע עם פלזמה חמה כל כך, והפלזמה הייתה מתקררת ברגע אם הייתה נוגעת בדופן. אבל פלזמה עשויה מחלקיקים טעונים, גרעינים חשופים ואלקטרונים חופשיים, וחלקיקים טעונים בשדה מגנטי לא יכולים לחצות אותו. הם מסתובבים סביב קווי השדה ומחליקים לאורכם, כמו חרוזים על חוט. לכן כור בונה כלוב מקווי שדה.

כלוב ישר דולף מהקצוות שלו. מכופפים אותו לטבעת, וקווי השדה נסגרים על עצמם, כך שחלקיק שמחליק לאורך אחד מהם אף פעם לא מגיע לסוף. הטבעת הזאת היא התא דמוי הסופגנייה של טוקמק, תכנון מברית המועצות של שנות החמישים, ששמו הוא ראשי תיבות ברוסית של תא טבעתי עם סלילים מגנטיים.

למה טבעת פשוטה דולפת

בסצנה, שמונה־עשר סלילי שדה טורואידלי בצורת D עומדים סביב התא ויוצרים שדה שעובר לאורך הטבעת, בדרך הארוכה. לבדו, השדה הזה נכשל.

כשמכופפים את השדה לטבעת, הסלילים מצטופפים בצד הפנימי של הטבעת, ולכן השדה שם חזק יותר מאשר בצד החיצוני. המעגל של חלקיק קצת הדוק יותר במקום שבו השדה חזק יותר, ולכן כל מעגל לא נסגר עד הסוף: החלקיק זוחל הצידה, למעלה או למטה, קצת בכל סיבוב. יונים חיוביים זוחלים לכיוון אחד והאלקטרונים לכיוון השני. המטענים נפרדים, המטען המופרד יוצר שדה חשמלי, והשדה הזה דוחף את כל הפלזמה החוצה אל הדופן. במתקן בגודל של ITER, יון חם היה נסחף מהאמצע אל הדופן בתוך כמה אלפיות שנייה.

נסו: הורידו את זרם הפלזמה ל־0 MA, ואז בחרו פועל תחת הצגת השדה והחלקיקים. קווי השדה הופכים למעגלים פשוטים, היונים (כתומים) נסחפים למעלה והאלקטרונים (כחולים) נסחפים למטה עד שהם פוגעים בדופן.

חזרה לניסוי ↑

הפיתול

התרופה היא לפתל את קווי השדה לספירלות. טוקמק עושה זאת בעזרת זרם של מיליוני אמפר שעובר בפלזמה עצמה, בדרך הארוכה סביב הטבעת. הסולנואיד המרכזי שבאמצע הסופגנייה מניע את הזרם הזה, כמו שהסליל הראשון של שנאי מניע את השני. הזרם יוצר שדה משלו, שמתלפף סביב הפלזמה בדרך הקצרה. יחד עם השדה של הסלילים, הוא הופך כל קו שדה לספירלה שמתפתלת סביב הטבעת, ובאותו זמן מעל הפלזמה ומתחתיה.

עכשיו חלקיק שעוקב אחרי קו השדה שלו מבלה חצי מהזמן ליד החלק העליון של הפלזמה וחצי ליד החלק התחתון. הוא עדיין נסחף למעלה כל הזמן, אבל למעלה הסחיפה מרחיקה אותו מאמצע הפלזמה, ולמטה היא מחזירה אותו פנימה. הסחיפות מתקזזות, והחלקיק נשאר במסלול סגור במקום להגיע לדופן.

את הפיתול מודדים במקדם הבטיחות, $q$⁠: כמה פעמים קו שדה מקיף את הטבעת בדרך הארוכה על כל פעם שהוא מקיף אותה בדרך הקצרה. הוא הגדול ביותר בשולי הפלזמה. ITER תוכנן לזרם של 15 מיליון אמפר בשדה של 5.3 T, ואלה נותנים $q$⁠ של כ־3 בשוליים.

נסו: הגדילו לאט את זרם הפלזמה מאפס, כשהצגת השדה והחלקיקים על פועל. קווי השדה מתחילים להסתלסל, מסלולי החלקיקים מתנדנדים סביב אמצע הפלזמה, וסביב 7 MA הם מפסיקים להגיע לדופן.

חזרה לניסוי ↑

סטלרטור משיג את הפיתול בדרך אחרת, מסלילים שמכופפים לצורות תלת־ממדיות מוזרות, ולכן הוא לא צריך זרם בפלזמה. הגדול שבהם הוא Wendelstein 7-X בגרמניה.

לא יותר מדי פיתול

יותר זרם הוא לא תמיד טוב יותר. אם קו שדה מקיף את הפלזמה בדרך הקצרה יותר מפעם אחת על כל שתי הקפות בדרך הארוכה, כלומר $q$⁠ קטן מ־2, עמוד הפלזמה מתעקם לספירלה משלו, התעקמות (kink), שגדלה עד שהיא פוגעת בדופן. כל החום נפלט בתוך כאלפית שנייה, קריסה (disruption), והזרם הפתאומי בפלדה יכול לטלטל את כל המתקן.

הפיתול תלוי בזרם ובשדה יחד: $q$⁠ עולה עם השדה ויורד עם הזרם. לכן מתקן עם שדה חלש יותר חייב להעביר פחות זרם.

נסו: בחרו השדה של JET כשזרם הפלזמה על 15 MA. הפיתול הדוק מדי, והפלזמה מתעקמת וקורסת, שוב ושוב. הורידו את הזרם ל־12 MA והיא מחזיקה.

חזרה לניסוי ↑

חם, צפוף ומוחזק מספיק זמן

לא מספיק להחזיק את הפלזמה. היא צריכה לייצר יותר הספק היתוך ממה שהיא מאבדת. ב־1955 המהנדס ג’ון לוסון חישב מה נדרש לשם כך, והתשובה מסתכמת בשלושה מספרים שמוכפלים זה בזה: הצפיפות $n$⁠, מספר גרעיני הדלק בכל מטר מעוקב; הטמפרטורה $T$⁠; וזמן כליאת האנרגיה $\tau_E$⁠, כמה זמן היה לוקח לפלזמה לאבד את החום שלה אילו החימום היה נכבה.

ההיתוך מקיים את עצמו, הצתה, כשגרעיני ההליום שהוא יוצר מחממים את הפלזמה באותו קצב שבו היא מאבדת חום. לדאוטריום ולטריטיום זה דורש לכל הפחות

$n\,T\,\tau_E \gtrsim 3 \times 10^{21}\ \text{keV·s/m}^3$⁠

סביב 150 מיליון קלווין, כש־$T$⁠ נמדדת בקילו־אלקטרון־וולט (1 keV הוא בערך 11.6 מיליון קלווין). גם בלי הצתה, הפלזמה יכולה לתת הגבר, $Q$⁠: הספק ההיתוך חלקי הספק החימום שמוזרם אליה. $Q = 1$⁠ הוא נקודת האיזון.

התרשים שליד הסצנה הוא דיאגרמת לוסון כזאת. הנקודה היא הפלזמה של הסצנה. ההגדרות של ITER מציבות אותה בערך שני שלישים מהדרך להצתה, בהגבר של כ־10: ITER אמור לייצר 500 מגה־וואט של היתוך מ־50 מגה־וואט של חימום.

נסו: גררו את טמפרטורת הפלזמה מ־10 עד 300 מיליון K. הנקודה זזה הצידה אבל כמעט לא למעלה או למטה, וההגבר עולה, מגיע לשיא סביב 150 מיליון K ויורד שוב.

חזרה לניסוי ↑

השדה יכול להחזיק רק לחץ מסוים, ולכן בשדה נתון פלזמה חמה יותר היא פלזמה דלילה יותר. קר מדי, ומעט מדי גרעינים מתמזגים, צפופה ככל שתהיה הפלזמה. חם מדי, ויש מעט מדי גרעינים שייפגשו. הטמפרטורה הטובה ביותר נמצאת באמצע.

למה מגנטים חזקים יותר עוזרים כל כך

שדה מגנטי מחזיק פלזמה שהלחץ שלה הוא כמה אחוזים מהלחץ המגנטי של השדה עצמו, והלחץ המגנטי גדל עם ריבוע השדה. שדה כפול מחזיק לחץ פי ארבעה, ועם לחץ פי ארבעה אפשר לדחוס פי ארבעה דלק באותה טמפרטורה.

הסלילים של ITER הם מוליכי־על, ניוביום־בדיל שמקורר לכ־4 קלווין, ולכן הם מעבירים זרמים עצומים בלי התנגדות (מוליכות־על). סרט חדש יותר ממוליכי־על בטמפרטורה גבוהה עובד בכ־20 קלווין ובשדות חזקים יותר, כך שמתקן קטן בהרבה יכול להגיע לאותה מכפלה משולשת. SPARC, שנבנה בארצות הברית, תוכנן לשדה של 12.2 T. מגנטים מאותו סוג מכופפים את האלומות במאיצי חלקיקים.

נסו: בחרו השדה של SPARC. במתקן בגודל הזה הפלזמה הייתה מגיעה להצתה. אחר כך בחרו השדה של JET והורידו את זרם הפלזמה ל־12 MA: הפלזמה מחזיקה שוב, אבל ההגבר שלה יורד לכ־2.

חזרה לניסוי ↑

שאר המתקן

אנרגיית ההיתוך יוצאת בעיקר כנייטרונים, שאין להם מטען, ולכן השדה לא יכול להחזיק אותם. הם עפים אל המעטפת, הציפוי העבה והמרוצף של התא, ומחממים אותה; בתחנת כוח החום הזה היה מרתיח מים לקיטור. מעטפת כזאת תכיל גם ליתיום, שהנייטרונים הופכים לטריטיום חדש, כי טריטיום נדיר מכדי לקנות אותו. הדיברטור שבתחתית הוא המקום שאליו מכוונים את קווי השדה שבשולי הפלזמה, אל לוחות טונגסטן עמידים, כך שאפר ההליום והחום התועה נוחתים שם ולא על הדופן. הכול יושב בתוך תא הוואקום, וסלילי השדה הפולואידלי שמבחוץ מעצבים את הפלזמה ומחזיקים אותה במקומה.

איש עדיין לא הפיק חשמל מהיתוך. ב־2023 הטוקמק האירופי JET שחרר 69 מגה־ג’אול בתוך כחמש שניות, שיא, אבל עדיין פחות ממה שנדרש כדי לחמם את הפלזמה. ב־2022 המתקן הלאומי להצתה (NIF) בקליפורניה הוציא מכדורית דלק זעירה יותר אנרגיית היתוך ממה שהלייזרים שלו מסרו לה. הוא החזיק את הדלק יחד לא בעזרת שדה אלא בעזרת ההתמדה שלו עצמו, פחות ממיליארדית שנייה. השמש לא צריכה אף אחד מהם: הכבידה שלה מחזיקה את הפלזמה שלה.

מה המודל הזה משאיר בחוץ

הסצנה מחשבת את הפיתול, את הלחץ שהשדה יכול להחזיק, את זמן הכליאה ואת ההגבר לפי כללים פשוטים שהותאמו ל־ITER, עם טמפרטורה אחת לכל הפלזמה. פלזמה אמיתית חמה ביותר במרכזה, וגם הצפיפות שלה מוגבלת על ידי הזרם. זמן הכליאה עוקב אחרי האופן המדוד שבו הוא גדל עם הזרם והשדה, אבל הירידה המדודה שלו כשמוסיפים חימום לא נכללת, וגם לא זיהומים שמקררים את הפלזמה. חלק הלחץ של 1.9% נבחר כך שההגדרות של ITER ייתנו את ההגבר שאליו ITER תוכנן.

הסחיפות של החלקיקים מוגזמות פי מאות, ולכן בסצנה צריך בערך חצי מהזרם של ITER כדי להחזיק אותם, בעוד שפלזמה אמיתית צריכה הרבה פחות פיתול כדי לעצור חלקיקים בודדים מלהיסחף החוצה. המעגלים של היונים מצוירים גדולים פי עשרות מהאמת, והמעגלים של האלקטרונים, קטנים מהם פי שישים, לא מצוירים בכלל. יון אמיתי מקיף את הטבעת בתוך כ־40 מיליוניות שנייה, לא בתוך כמה שניות. ההתעקמות מצוירת כתנודה סדירה שגדלה ופוגעת בדופן כל ארבע שניות; קריסה אמיתית היא אירוע אלים אחד שמסיים את הפולס.