.
אחרי שנכשל הניסיון לבצע מיזוג גרעיני קר, חוזרים הפיסיקאים
לניסיונות לפתח כורי מיזוג המבוססים על מצב הצבירה הרביעי
.
שלושת מצבי הצבירה של החומר, מוצק, נוזל וגז
(שחלקיקיו אינם נושאים מטען חשמלי), מתאימים
לתיאור חלק קטן בלבד מכל החומר המצוי
ביקום. מתברר שרובו המוחלט של החומר, מצוי
דווקא במצב הצבירה הרביעי, הפחות מוכר – פלסמה.
זהו מצב שבו חלקיקי החומר הם מיוננים, או
טעונים. בדרך כלל, החלקיקים הללו הם יונים, או
אלקטרונים. קיימות פלסמות שונות, המכילות חומרים
שונים, הנתונים בצפיפויות, מהירויות, טמפרטורות
ולחצים שונים בכמה סדרי גודל אלה מאלה. למשל,
נורת פלואורוסצנט, מכילה פלסמה. מצד שני, בטבע,
אפשר למצוא פלסמות בכל כוכב (שמש). למעשה,
הכוכבים כולם עשויים פלסמות המסודרות בשכבות
הדומות לקליפות בצל, כאשר בכל קליפה מצויה
פלסמה בטמפרטורה וצפיפות שונה מאלה שב"קליפות"
השכנות.
.
כדי להביא חומר כלשהו למצב הצבירה הרביעי,
כלומר, כדי להעביר אותו למצב של פלסמה, יש להשקיע
אנרגיה: לחמם וליינן אותו. כאשר מתמידים בתהליכים
האלה, וגם כאשר דוחסים את החומר, אפשר להפוך כל
חומר לגז מיונן שצפיפותו גדולה יותר מצפיפות החומר
כשהוא מצוי במצב מוצק. כלומר, יחידת נפח מסוימת של
פלסמה, עשויה להכיל יותר חלקיקים מאותה יחידת נפח
של חומר מוצק.
.
האנרגיה של הכוכבים
.
ההבנה והמחקר בתחום הפלסמות עשויה לסייע רבות
בהבנת תהליכים שונים המתקיימים בכוכבים, ובהבנת
התנהגותו של היקום (שהרי, כאמור, חלקו הארי של החומר
ביקום מצוי במצב הצבירה הרביעי). בנוסף לכך, עשוי
המחקר הזה לשרת שורה ארוכה של יישומים מעשיים,
ובהם מיזוג גרעיני מבוקר של מימן, במסגרת כורי מיזוג
גרעיניים. כידוע, כאשר גורמים התנגשות בין איזוטופים של
מימן, מתלכדים האטומים הללו ויוצרים אטום מאוחד של
הליום. אבל, מסתו של אטום ההליום, קטנה במעט ממסתם
של שני אטומי המימן היוצרים אותו. המסה ה"חסרה"
הזאת, הופכת בתהליך המיזוג לאנרגיה לפי נוסחת שוויון
המסה והאנרגיה של איינשטיין E=Mc2. בדרך זו אפשר
להפיק הרבה מאוד אנרגיה ממעט מאוד חומר, המצוי
ביקום בשפע, ושקל מאוד לאסוף ולהפיק אותו. הבעיה
היא שכדי לגרום לאטומי האיזוטופים של המימן לנוע
במהירויות גבוהות ולהתנגש אלה באלה עד כדי יצירת
מיזוג, יש להביא אותם למצב של פלסמה. תהליך כזה של
מיזוג אטומי מימן להליום תוך כדי פליטת אנרגיה, מתרחש
בטבע, בליבותיהם של כוכבים (שמשות), ולמעשה, כל
אנרגיית הכוכבים, מופקת בדרך זו. עד כה, התרחש התהליך
הזה, על-פני כדור-הארץ, רק בעת פיצוצה של פצצת מימן.
לצורך יצירת פלסמת המימן בפצצת המימן יש להשקיע
אנרגיה כה רבה, עד שמשתמשים לשם כך בפיצוץ
פצצת ביקוע גרעינית (פצצת פלוטוניום, או אורניום).
.
שמש קטנה במעבדה
.
השאלה היא כיצד אפשר לבצע מיזוג מימני בתהליך
מבוקר, ולא הרסני, שיאפשר הפקת אנרגיה. ככל שהפלסמה
נתונה בטמפרטורה ובצפיפות גבוהות יותר, גדל הסיכוי
שהאטומים הנעים בהן יתנגשו ויבצעו את המיזוג המבוקש.
בשמשות, מונע כוח הכובד האדיר של הכוכב את
התפזרות הפלסמה (מה שהיה מפחית את הצפיפות, ואתה
יחד גם את שיעורי המיזוג). מדענים המבקשים לפתח כורי
מיזוג גרעיניים, מנסים לחקות במעבדה את מצב הפלסמה
בכוכבים. כלומר, להחזיק את הפלסמה האנרגטית מאוד
במקומה (כדי ליצור מספיק מקרי מיזוג). עד כה לא
הצליחו החוקרים, בכל העולם, ליצור תהליך של מיזוג
מבוקר שיפיק אנרגיה בכמות שתשתווה לכמות האנרגיה
שיש להשקיע כדי לקיים את התהליך. מספר מקרי
המיזוג המתרחשים בתהליכים שפותחו, פשוט, מועט מדי.
וכדי להעלות את כמות מקרי המיזוג, יש להשקיע עוד
ועוד אנרגיה בפלסמה ועוד אנרגיה בבקרתה.
.
סוג אחד של מחקרי פלסמה נועד, אפוא, למצוא דרכים
מתאימות להשקעת האנרגיה הזאת. כלומר, מנסים ליצור
פלסמה בטמפרטורה גבוהה ובצפיפות מתאימה, שתתקיים
זמן מספיק, כדי שיתרחשו בה מספיק היתוכים, בקצב
מספיק גדול, כדי שהמתקן יפיק יותר אנרגיה מן האנרגיה
המושקעת בהפעלתו. כדי לשמור על הפלסמה ב"כלאה",
מבוססים המתקנים הללו על שדות מגנטיים חזקים
המונעים את התפשטות הפלסמה.
.
גישה אחרת, מבוססת על יצירת פלסמה ללא "כליאה". פשוט,
מניחים לפלסמה להתפשט ולברוח, אבל עושים זאת בצפיפות
כל-כך רבה, עד שתוך כדי ההתפשטות והבריחה, מתרחשים
בה מיזוגים בכמות מספקת להפקת אנרגיה רבה מזו המושקעת
בתהליך. הכליאה החלקית והזמנית הזאת של הפלסמה,
מכונה "כליאה אינרציאלית".
.
מנה קטנה.
כדי ליצור מצב של כליאה אינרציאלית, אפשר, למשל,
למקד קרן לייזר אדירה, המכה במשך פרק זמן קצוב
וקצר מאוד, במטרה קטנה מאוד (כדור חומר שקוטרו
בסדר גודל של עשירית המילימטר). כך נדחס רק החומר
הכלול במטרה הקטנה הזאת. תהליך זה חוזר על עצמו,
כאשר קרן הלייזר מכה בכל פעם בכדור זעיר אחר של
החומר שרוצים להעבירו למצב של פלסמה. כך משתחררות
מנות קטנות של אנרגיה בזו אחר זו. שיטת הסלמי בהפקת
מיזוג גרעיני.
.
טכניקה דומה, מבוססת על תקיפת מטרות החומר באמצעות
קרני יונים (המכילות יונים של יסודות קלים כמו פחמן או
קלים ממנו). יונים אלה נושאים אנרגיה של 20 מיליון וולט
בזרם של עשרה מיליון אמפר, והם מכוונים למטרה שקוטרה
מילימטרים ספורים. טכניקות אחרות מבוססות על קרן
הנושאת גרעינים של אטומים כבדים (דוגמת אורניום)
המואצים לאנרגיות גבוהות מאוד. קרניים אלה פוגעות
במטרות המורכבות מחומרים כבדים שבמרכזם מצויים
האיזוטופים של המימן. הקרן הפוגעת דוחסת את המטרה,
החומרים הכבדים דוחסים את המימן, זה הופך לפלסמה
שבה מתחוללים תהליכי מיזוג.
.
יצור לא יציב
.
למעשה, הפלסמה הצפופה והתהליכים הפיסיקליים השונים
המתרחשים בה, היא בבחינת תעלומה. הפלסמה היא "יצור"
מאוד לא יציב, המשתנה ללא הרף. לכן קשה לדעת מהי
המוליכות החשמלית של הפלסמה בכל זמן נתון, וקשה
לעקוב ולהבין את תהליכי תובלת החלקיקים ומעברי
האנרגיה בתוך הפלסמה עצמה. מבחינה מקרוסקופית,
הפלסמה כולה משנה ללא הרף את צורתה ואת מקומה.
מבחינה מיקרוסקופית, מתרחשים בה גלים ותנודות שונות,
המשנות ללא הרף את מהירויותיהם וצפיפויותיהם של
החלקיקים. כל אלה משפיעים על יחסי הגומלין שבין
חלקיקי הפלסמה לבין עצמם, ביניהם לבין השדות
החשמליים והמגנטיים שתמיד קיימים בפלסמות, וביניהם
לבין גלי התנועה הפיסיים המתרחשים בפלסמה.
.
תותחי פלסמה
.
כל השינויים הרבים הללו מתרחשים בפלסמה
המתקיימת זמן קצר מאוד, כתוצאה מ"מכה" של קרני
יונים או קרני לייזר. כדי לחקור את התהליכים
הרבים האלה, פועלות בעולם כמה מעבדות לחקר
הפלסמה, שתכליתן המוצהרת היא, פיתוח שיטות
להפקת אנרגיה חליפית זולה, באמצעות כורי מיזוג
גרעיניים. תהליך זה, בשונה מתהליכים כימיים
וגרעיניים אחרים להפקת אנרגיה, אינו כרוך בסיכון
איכות הסביבה, ואינו בעלי ישימות צבאית
(אם כי עקרונית, ייתכנו שימושים צבאיים לקרני
חלקיקים רבות עוצמה, ובכתבי-עת מדעיים כבר
התפרסמו כמה מאמרים המרמזים לאפשרות פיתוחם
והפעלתם של "תותחי פלסמה").
