לדחוס גרעינים זה אל זה
עמוק בתוך השמש, גרעיני מימן מתחברים ויוצרים הליום, ומעט מהמסה שלהם הופך לאנרגיה שמגיעה אלינו כאור שמש. היתוך הוא ההפך מביקוע: במקום לפצל גרעינים כבדים, הוא מחבר גרעינים קלים.
הקושי הוא לגרום להם לגעת זה בזה. כל גרעין נושא מטען חיובי, ומטענים מאותו סימן דוחים זה את זה. ככל ששני גרעינים מתקרבים, כך הם נדחפים זה מזה חזק יותר. רק כשהמרחק ביניהם הוא בערך רוחב של גרעין, הכוח הגרעיני החזק משתלט ומושך אותם יחד, וזו מטרה קטנה מאוד מאחורי חומה תלולה מאוד.
חום הוא מהירות
הדרך המעשית היחידה להטיח גרעינים זה בזה היא לחמם אותם. טמפרטורה היא המהירות שבה החלקיקים מתרוצצים: במיליוני מעלות האטומים מאבדים את האלקטרונים שלהם והופכים לפלזמה, גז של גרעינים חשופים ושל אלקטרונים חופשיים, שכולם דוהרים בכל הכיוונים. ככל שחם יותר, הם נעים מהר יותר ומגיעים קרוב יותר לפני שהמטענים שלהם מסיטים אותם.
נסו: גררו את טמפרטורה למטה עד ליבת השמש וצפו בגרעינים סוטים זה מזה, כמעט בלי שום היתוך. אחר כך בחרו טוקמק ובחרו פלזמה תחת חיתוך עד הפלזמה כדי לראות את ההבזקים.
מנהור דרך החומה
אפילו ב־100 מיליון קלווין, לגרעין טיפוסי יש רק כמה אחוזים מהאנרגיה הדרושה כדי לטפס על החומה החשמלית. היתוך קורה בכל זאת, משתי סיבות. בכל פלזמה יש כמה גרעינים שנעים מהר בהרבה מהממוצע. ובקנה המידה הזעיר הזה חלקיקים מתנהגים בחלקם כמו גלים, ולכן יש סיכוי קטן שגרעין יעבור דרך החומה במנהור, במקום לעבור מעליה. שתי ההשפעות גדלות בחדות ככל שהטמפרטורה עולה. בסצנה, קירור הפלזמה מ־150 ל־15 מיליון קלווין הופך את ההיתוך לנדיר יותר כמעט פי שבעת אלפים.
למה לשמש מספיק פחות
הליבה של השמש חמה רק כ־15 מיליון קלווין, ובכל זאת היא מתיכה בערך 600 מיליון טונות של מימן בכל שנייה. היא מנצחת בזכות הגודל שלה והכבידה: המשקל של השמש עצמה דוחס את הליבה לצפיפות גבוהה פי יותר ממאה מצפיפות המים, מחזיק אותה כך במשך מיליארדי שנים ונותן לה מספר כמעט בלתי נתפס של גרעינים. כל גרעין מחכה בממוצע מיליארדי שנים עד שהוא מתמזג, אבל יש כל כך הרבה מהם שהסך הכול עצום.
על כדור הארץ אין לנו כבידה כזאת. יש לנו פלזמה דלילה בהרבה מאוויר ורק שניות ספורות לעבוד איתה, ולכן אנחנו מפצים על כך בחום. מתקני היתוך שואפים ל־100 עד 150 מיליון קלווין, חום גבוה פי עשרה בערך מזה שבמרכז השמש. הם גם משתמשים בדלק שהכי קל להתיך: דאוטריום וטריטיום, שני סוגים כבדים של מימן. הם מתמזגים להליום־4 ולנייטרון מהיר, ומשחררים בכל פעם 17.6 מיליון אלקטרון וולט; הנייטרון נושא 14.1 מהם.
כוכב בתוך בקבוק
שום חומר מוצק לא יכול לגעת בפלזמה חמה כל כך, ולכן טוקמק מחזיק אותה בעזרת מגנטיות. סלילים שעוטפים תא בצורת סופגנייה יוצרים שדה מגנטי שחלקיקים טעונים לא חוצים בקלות, וכך הפלזמה מסתובבת סביב הטבעת בלי להגיע לדפנות. גרעיני ההליום, שהם טעונים, נשארים בפלזמה ועוזרים לשמור על החום שלה. לנייטרון אין מטען, ולכן השדה לא יכול להחזיק אותו; הוא עף ישר אל הדפנות, ושם אפשר לאסוף את האנרגיה שלו כחום. הכפלת צפיפות הדלק מגדילה את קצב ההיתוך פי ארבעה: לכל גרעין דאוטריום יש פי שניים גרעיני טריטיום שהוא יכול להתמזג איתם.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
קצב ההיתוך בסצנה עולה עם הטמפרטורה לפי הקצב המדוד של תגובת דאוטריום–טריטיום, אבל הוא מואט ומותאם כך שאפשר יהיה לצפות בו, והגרעינים עצומים בהשוואה לרווחים שביניהם. פלזמה אמיתית מאבדת חום כל הזמן, והאתגר המרכזי הוא לשמור אותה חמה, צפופה וכלואה מספיק זמן כדי שתפיק יותר אנרגיה ממה שהיא צורכת; עדיין אין תחנת כוח שפועלת על היתוך. השמש מתיכה בעיקר מימן רגיל, דרך שרשרת איטית יותר של שלבים, ולא דאוטריום עם טריטיום.