היתוך גרעיני

היתוך גרעיני (באנגלית: Nuclear fusion) הוא תהליך שבו גרעיני אטומים מתמזגים לגרעין גדול יותר. תהליך זה כרוך בפליטת אנרגיה רבה, והוא מתרחש בכוכבים ובפצצת מימן.

התהליך

ההיתוך הגרעיני המתרחש במרכזם של כוכבים, הוא שגורם להם להקרין אנרגיה לסביבתם הרחוקה במשך מיליארדי שנה. על אף שהתהליך מפיק אנרגיה רבה, הוא אינו מתחיל באופן ספונטני, אלא דורש אנרגיה תחילית רבה. אנרגיה זו נוצרת מהדחיסה הכבידתית בכוכבים.

בעת ההיתוך הגרעיני שמתרחש בשמש יש שרשרת תהליכים (שרשרת פרוטון-פרוטון):

ראשית מתמזגים שני זוגות של פרוטונים (שהם גרעיני האיזוטופ הרגיל של מימן ¹H) ויוצרים שני גרעינים של דאוטריום (²H איזוטופ של מימן). בתהליך זה נפלטים גם שני נייטרינו ושני פוזיטרונים.
כל אחד מגרעיני הדאוטריום מתמזג עם פרוטון נוסף על־מנת ליצור שני גרעיני האיזוטופ של הליום-3 (³He).
שני גרעיני ה-³He מתמזגים לגרעין בריליום אחד בלתי־יציב, המתפרק לגרעין הליום ⁴He ולשני פרוטונים.

מאחר שמסת גרעין ההליום (⁴He) הנוצר קטנה מזו של ארבעה פרוטונים, ההפרש משתחרר בצורת אנרגיה של 26.7 MeV. זהו מקור האנרגיה של השמש.

היתוך שני גרעיני מימן דורש אנרגיה רבה בשל דחייתם החשמלית הטבעית. אנרגיה כזו לא קיימת בשמש, אך ההיתוך מתרחש בכל זאת בשל תופעת המנהור הקוונטי, המאפשרת הופעה של חלקיקים משני צדי מחסום פיזי או אנרגטי.

בכוכבים זקנים יותר בהם אזל המימן, מתרחשות תגובות בהן גרעיני הליום מתמזגים לגרעיני פחמן, ואף לגרעינים יותר כבדים, עד ברזל, היסוד הכבד הראשון שבו להיתוך גרעיני אין כל תועלת. לאחר זמן רב, הכוכב צובר כמות ברזל גדולה מאוד, הלחץ מההיתוך הגרעיני נחלש רבות ועקב כך מתפוצץ. הברזל משתחרר מהכוכב ומתפרק בחלל לכל שאר החומרים האחרים כולל את יסודות החיים.

היתוך גרעיני מתרחש גם בעת פיצוץ פצצת מימן. כדי להתחיל אותו כוללת הפצצה גם פצצת אטום, שמספקת את האנרגיה הדרושה להתחלת התהליך. אנריקו פרמי הגדיר את השמש כ"פצצת מימן טובה".

בעשורים האחרונים נעשים ניסיונות לרתום אנרגיה זו בתהליך מבוקר של "היתוך גרעיני קר", כלומר היתוך גרעיני הנעשה בטמפרטורה שאינה גבוהה במידה חריגה, לשם ייצור אנרגיה. אף שהוכרז בעבר מספר פעמים על הצלחה במימוש תהליכי היתוך קר, כל הניסיונות לחזור על הניסויים נכשלו. בקהילת הפיזיקה מוסכם שאין כל תהליך ידוע של היתוך קר.

כור היתוך גרעיני

סכמת היתוך גרעיני של מימן להליום

מאז שנות ה-50 של המאה ה-20, ניסו חוקרים ברחבי העולם להפיק אנרגיה מהיתוך גרעיני, כך שהאנרגיה שמושקעת בהיתוך תהיה קטנה מהאנרגיה המתקבלת בעת הפעלת כור היתוך גרעיני^[1].

ב-1 ביולי 2005, התקבל אישור לבניית כור מחקר בינלאומי גדול בצרפת על בסיס היתוך גרעיני. הכור אמור להפיק בסופו של דבר כמויות גדולות של אנרגיה לאורך זמן ממושך, אך לא ישמש לייצור חשמל אלא למחקר בלבד. בניית הכור, אשר זכה לשם איטר (ITER) (בעבר היו אלו ראשי התבות - International Thermonuclear Experimental Reactor, אך בימינו זהו שמו המלא, ופירושו בלטינית "הדרך"), תוכננה מראש להסתיים עד שנת 2020, ועלותו הוערכה בכ־7 מיליארד דולר. בפועל, חרג המיזם הן מלוח הזמנים הצפוי^[2] והן מתקציבו^[3], ובנייתו צפויה להימשך לפחות עד 2026^[4].

ההיתוך הצפוי להתקיים ב-ITER מבוסס על היתוך של דאוטריום (המופק ממי הים) וטריטיום ההופכים לגרעין של הליום ומשחררים נייטרון אחד. הנייטרון פוגע במעטפת עבה של ליתיום 7 העוטפת את הכור והופך גרעין של ליתיום לגרעין של הליום ולגרעין של טריטיום שמוחזר לכור לצורך שימוש בהיתוך נוסף בהמשך, וכן נפלט בתהליך נייטרון שעשוי לייצר עוד גרעין של טריטיום. כך שהדלק לתהליך הוא למעשה דאוטריום וליתיום 7, שני חומרים המצויים בשפע עצום על פני כדור הארץ.

ב-5 בדצמבר 2022 השיגו חוקרים במעבדה הלאומית הפדרלית לורנס ליברמור בקליפורניה, פריצת דרך בתחום היתוך אינרציאלי^[5]. הם הצליחו לייצר תגובת היתוך גרעיני, שהביאה לרווח נטו באנרגיה, כלומר שכמות האנרגיה שיוצרה בהיתוך גדולה מזו שהושקעה כדי לייצר אותה^[6]^[7]^[8]

באוגוסט 2023 הכריזו מעבדות לורנס ליברמור האמריקאיות כי הצליחו שוב ליצור אנרגיה מהיתוך מימני: 3.15 מגה ג'ול בהשקעה של 2.05 מגה ג'ול^[9].