כור ההיתוך הגרעיני שפותח בחברת לוקהיד מרטין: יישומים אזרחיים וצבאיים


מבט מבס"א מס' 909, 29 ביולי 2018

 תקציר: תאגיד לוקהיד מרטין רשם לאחרונה פטנט על תכנון מהפכני של כור היתוך קומפקטי ((Compact Fusion Reactor – CFR, כור נייד שניתן לשאתו במשאית. אחד מדגמי הכור שהספקו מאה מגה-וואט עשוי לספק חשמל לעיר בת מאה אלף תושבים. יתרונות ה-CFR יחסית לכורים הגרעיניים הפועלים היום בעולם, הם בכך שהאנרגיה המשתחררת בתהליך ההיתוך רבה לאין שיעור מזו של ביקוע גרעיני, ושהאנרגיה נקייה, ללא צורך לטפל בפסולת רדיואקטיבית. בנוסף ליישומיו האזרחיים הרבים, להערכת לוקהיד מרטין יש לדגמי ה-CFR גם יישומים צבאיים: ניתן להתקינם בנושאות מטוסים גדולות, בצוללות, במטוסי תובלה ואולי אף במטוסי קרב ובמל"טים. אם תקוותיו של לוקהיד מרטין תתגשמנה, יהפוך החשש מפני התדלדלות משאבי האנרגיה בעולם בעתיד לנחלת ההיסטוריה, והמין האנושי יזכה לסביבה נקיה יותר מזיהומי ייצור אנרגיה.

תאגיד לוקהיד מרטין האמריקני רשם ב-15 בפברואר השנה פטנט על תכנון מהפכני של כור היתוך קומפקטי Compact Fusion Reactor – CFR)). כור נייד שניתן לשאתו במשאית, ולהיות מותקן במטוסים ובספינות. הפרויקט מתנהל במסגרת משרד "תוכניות הפיתוח המתקדמות" של החברה בפאלמדייל קליפורניה, שכינויה Skunk Works. פיתוח ה-CFR התחיל ב-2010, אך החברה הודיעה על הפיתוח רק ב-2014. מסתבר כי מימוש הפרויקט מתקדם מהר מהצפוי. ראש הפרויקט, ד"ר תומס מק'גווייר, מסר ב-2014 כי המטרה היא להציג כור פועל תוך חמש שנים, וכור המתאים לייצור מסחרי תוך עשר שנים. יצוין כי במסמך של לוקהיד מרטין מ-25 בדצמבר 2017 הוצגו שני דגמים ניסיוניים של CFR: T4B שאורכו שני מטר, קוטרו מטר, משקלו כעשרים טונות, וכמות האנרגיה שהוא עשוי לייצר הינה אחד מגה-וואט; וכן TX, שארכו 18 מטר, קוטרו שבעה מטרים, ומשקלו כאלפיים טונות, אשר מייצר כמות אנרגיה של מאתיים מגה-וואט. בחברת לוקהיד מרטין מאמינים כי ניתן להקטין את משקל התקן TX למאתיים טונות.

היתוך הינו תהליך תרמו-גרעיני בו גרעיני אטום מימן מתמזגים וכתוצאה מכך משחררים כמות אדירה של אנרגיה. העולם, ובפרט המין האנושי מתקיימים מראשיתם בזכות האנרגיה התרמו-גרעינית של השמש. השמש הינה כור תרמו-גרעיני אדיר, בו מתרחשות תגובות היתוך כתוצאה מתנאי טמפרטורה ולחץ גבוהים ביותר הפועלים על גרעיני המימן, ומאפשרים להתגבר על כוח הדחייה האלקטרוסטטי בין הפרוטונים המרכיבים את גרעיני המימן. ברם, היתוך מלאכותי בתנאי כדור הארץ אפשרי רק בין איזוטופי המימן, דיאוטריום וטריטיום (היתוך D-T). דיאוטריום, שגרעינו מכיל פרוטון ונויטרון, הוא יסוד שכיח ביותר בכדור הארץ, הוא מצוי בשיעור של אחד ל-6,700 אטומי מימן רגיל בתוך מים, והוא יציב מבחינה רדיואקטיבית. לעומת זאת טריטיום, שגרעינו מכיל פרוטון ושני נויטרונים אינו שכיח על פני האדמה ומיוצר על-ידי הקרנת ליתיום בנויטרונים. בתגובת ,D-T בנוסף לכמות האנרגיה הרבה המשתחררת כתוצאה מההיתוך, נוצר גם הליום שאינו יסוד רדיואקטיבי. האנושות הצליחה לרתום את ההיתוך הגרעיני למטרה הרסנית – ייצור פצצה תרמו-גרעינית, ששמה הנפוץ הוא פצצת מימן. עוצמת הפיצוץ של פצצות מימן גבוהה בסדר גודל של פי מאה או אלף יותר מפצצות ביקוע גרעיני כמו אלה שהוטלו על יפן במלחמת העולם השנייה, מכיוון שהאנרגיה שנפלטת בהיתוך רבה לאין שיעור מזו הנפלטת בביקוע גרעינים כבדים מאוד כמו אורניום ופלוטוניום. בנוסף לאנרגיה האדירה הנפלטת בהיתוך כפי שצוין לעיל, יש לתהליך זה כמה יתרונות בולטים על פני ביקוע כמקור להפקת אנרגיה: ראשית, קל לזקק דיאוטריום מתוך הכמויות הבלתי נדלות של מי ים, בניגוד לאורניום הדרוש לתהליך הביקוע שהינו נדיר יותר על פני כדור הארץ ותהליך זיקוקו מסובך יותר; שנית, המתכת ליתיום מצויה בכמות רבה על פני כדור הארץ ובמי ים; ולבסוף, תוצר ההיתוך הוא הליום שאינו רדיואקטיבי, בניגוד לפסולת הרדיואקטיבית של ביקוע גרעיני שהינה ארוכת זמן חיים, ולפיכך לטיפול בה, סילוקה וקבורתה באדמה נדרשות פעילויות מיוחדות.

בהיבט ההיסטורי של הביקוע הגרעיני, היה מעבר מהיר בין ניצולו לייצור נשק הרסני במלחמת העולם השנייה לבין יישומו האזרחי במחצית הראשונה של שנות החמישים של המאה הקודמת לבניית כורים גרעיניים להפקת חשמל. אשר להיתוך המצב הפוך. על אף שהניסוי הראשון של התקן נפץ תרמו-גרעיני בוצע על-ידי ארה"ב ב-1 בנובמבר 1952, הרי שעד עתה המאמץ לרתום את תהליך ההיתוך לפיתוח כור תרמו-גרעיני להפקת חשמל טרם נשא פרי, זאת חרף העובדה שבמשך שנים רבות התנהלו ברחבי העולם מחקרים רבים בהם הושקעו מיליארדים רבים של דולרים במטרה ליצור שחרור מבוקר של האנרגיה התרמו-גרעינית. המוטיבציה ליישם את ההיתוך הגרעיני בייצור חשמל נבעה לא רק בשל כמות האנרגיה העצומה שניתן להפיק בתהליך ההיתוך, אלא גם מכיוון שהאנרגיה המופקת הינה נקייה, ללא תוצר לוואי של פסולת גרעינית בעלת זמן חיים ארוך. המחקר בנושא זה החל בשנות החמישים של המאה הקודמת על-ידי הפיסיקאים הסובייטים איגור טאם ואנדרי סחארוב, אשר המציאו את ההתקן התרמו-גרעיני שצורתו טורוס וכינויו טוקאמאק. ההתקן הינו טבעת מעגלית תלת-ממדית המכילה פלסמה חמה מאוד של גרעיני דיאוטריום וטריטיום המוקפת ומתוחמת באמצעות שדות מגנטיים עוצמתיים. הטוקאמאק הראשון הופעל ב-1958, אך טרם הבשיל לשלבי היתכנות טכנולוגית ומסחרית. האב טיפוס אבי הטיפוס של כורי טוקאמאק מסחריים שפותחו בעולם המערבי, ובעיקר בארה"ב, סבלו מכך שהאנרגיה שהפיקו הייתה נמוכה מהאנרגיה שהיה צורך להשקיע על מנת לחמם את הפלסמה לטמפרטורה הרצויה, או מבעיות אי-יציבות, ולפיכך הם אכזבו את התקוות אשר תלו בהם. בין אלה יש לציין את JET  (Joint European Torus) שהוקם בבריטניה ונכון לסוף 2014 הושקעו בו כחצי מיליארד דולר; TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor) שהוקם בארה"ב וההשקעה בו הסתכמה במספר בלתי ידוע של מיליארדי דולרים; ואת התקן ההיתוך הבין-לאומיITER  (International Thermonuclear Experimental Reactor) שהוקם בצרפת, והפעלתו צפויה ב-2025. עלות ה-ITER הוערכה בין 22 לחמישים מיליארד דולר, ונכון ליוני 2015 הושקעו בו 14 מיליארד דולר. יש לציין כי נוסף לטוקאמאק היו גם תכנונים המבוססים על תהליכים אחרים לכליאת תהליך ההיתוך למטרת הפקת חשמל, אך אף הם לא צלחו עד כה. בהקשר לכך יש לציין כי גם חברה ישראלית בחנה בשנות השמונים של המאה הקודמת אפשרות להקים בנגב כור היתוך לייצור חשמל, אך עד מהרה התברר כי הפרויקט אינו בר היתכנות. (קוראים המתעניינים בנושא כורי היתוך מוזמנים לקרוא את תזת הדוקטורט של המחבר: "אינטראקציות של נויטרוני D-T בשמיכות גראפיט וליתיום של כורי היתוך: מדידות וחישובים", אוניברסיטת בן-גוריון בנגב, מאי 1986).

בעקבות רישום הפטנט של כור CFR על-ידי לוקהיד מרטין, רואיין ד"ר מק'גווייר ב-26 במרץ על-ידי העיתונאי ג'וזף טרבית'יק באתר The War Zone. הוא הסביר כי גיאומטריית טורוס של הפלסמה המיושמת בהתקן טוקאמאק, מגבילה את עוצמת הלחץ המגנטי המקסימלי שניתן להפעיל על פלסמת D-T. הדבר דומה לצמיג אופניים אשר מתפוצץ במידה שמנפחים אותו יתר על המידה. פריצת הדרך של לוקהיד מרטין נובעת מכך שבהתקן ה-CFR שפיתחה מיושמת גיאומטריה מורכבת בהרבה של תא הפלסמה והשדות המגנטיים העל-מוליכים שמופעלים על הפלסמה, אשר מאפשרת נצילות גבוהה מאוד של התהליך. לדבריו: "במקום צמיג של אופניים המתרחב כלפי האוויר שבחוץ, בידינו מצוי משהו הדומה יותר לשפופרת המתרחבת בתוך דופן חזקה ביותר". הוא הוסיף כי המערכת נשלטת אפוא על-ידי מנגנון משוב המכוונן עצמית, וככל שהפלסמה שואפת לפרוץ החוצה כך מתחזק השדה המגנטי הדוחף אותה פנימה.

לפי שעה לא פורסם מידע משמעותי על היבטיו הכלכליים של כור ה-CFR: הסכום שלוקהיד מרטין השקיעה בפרויקט, וכן מחירם המשוער של דגמי הכור השונים ועלות הפעלתם. מכל מקום, מפרסומי החברה עולה כי מדובר בסכומים נמוכים יחסית. זאת ועוד: על-פי פרסום של לוקהיד מרטין, קונספט הכור שפותח עשוי להיות רב שימושי, בתחומים אזרחיים שונים:

  • ניתן יהיה להתקין CFR שהספקו מאה מגה-וואט על גבי משאית, והוא יוכל לספק חשמל לעיר קטנה המונה אוכלוסייה של שמונים עד 100,000 תושבים. להערכת לוקהיד מרטין תידרש כמות של כ-12 ק"ג דלק דיאוטריום-טריטיום על מנת לתדלק את הכור במשך שנה שלמה;
  • ניתן יהיה לספק אנרגיה בכמות בלתי מוגבלת ובמחיר לא גבוה לאזורים מרוחקים במדינות מתפתחות;
  • ל- CFRעשויים להיות שימושים בהתפלת מי ים וטיהור מים במחירים מוזלים. החברה מעריכה כי עלות התפלת מי ים תוזל בשישים אחוזים;
  • אחד היישומים הראשונים של CFR עשוי להיות התקנתו בספינות אשר תאפשר להן לנוע על פני הים לטווחים בלתי מוגבלים;
  • CFR עשוי להיות מותקן במטוסי תובלה אזרחיים, או צבאיים כדוגמת C-5גלקסי – מטוס התובלה הענק של חיל האוויר האמריקני, ויאפשר להם טווח טיסה בלתי מוגבל ועמידות שאין דומה לה, וזאת באמצעות דלק מימני בכמות של כמה בקבוקים לשנה;
  • ניתן יהיה להאיץ את פיתוח הטיסות לחלל למרחקים גדולים.

כמו כן לפי המידע שהתפרסם, ל- CFRעשויים להיות יישומים משמעותיים ביותר בהיבטים צבאיים:

  • התקנתו בצוללות תאפשר להן לשייט מתחת לפני הים זמן רב ביותר. ממדי ומשקל הCFR- יהיו נמוכים משמעותית מהכורים המתודלקים באורניום מועשר שמותקנים כיום בצוללות גרעיניות. כך אף תצומצם מאוד סכנת החשיפה לקרינה גרעינית בצוללות אלה;
  • ניתן יהיה לצייד נושאות מטוסים גדולות כגון נימיץ האמריקנית ב-CFR של מאה מגה-וואט, וכך להגדיל את זמן שהותן בים;
  • כאמור לעיל, זיווד מטוסי תובלה צבאיים ב- CFR יאפשר להם לשהות באוויר זמנים ארוכים ולהגיע לטווחים רחוקים מאוד. כך תתאפשר העברה מהירה של כוחות צבאיים לאזורי מתיחות ברחבי העולם;
  • לפי המדווח בחודש מרץ האחרון, תאגיד לוקהיד מרטין שוקל בין היתר להתקין CFR במטוסי קרב, אשר גם במקרה של נפילה בקרב אווירי או בעקבות תאונה, לא תיגרם כתוצאה מכך חשיפה לקרינה גרעינית;
  • ניתן יהיה לזווד CFR קטן במל"טים שיוכלו לפטרל באוויר זמן רב ביותר.

לסיכום, לתאגיד לוקהיד מרטין תקוות רבות בדבר כור ההיתוך הקומפקטי עליו רשמה פטנט: הן בדבר הייצור בקנה מידה מסחרי, הן ביישומים האפשריים מבחינתה, והן מחירי הכורים ועלות הפעלתם. אם התקוות אכן תתגשמנה, אזי ניתן יהיה לראות את החששות הרבים מפני התדלדלות משאבי האנרגיה בעולם בעתיד כנחלת ההיסטוריה, וגם אפשר שהמין האנושי יזכה לסביבה נקיה יותר מהזיהומים הנובעים מייצור אנרגיה.

גרסה PDF

* סא"ל (מיל') ד"ר רפאל אופק הוא מומחה בתחום הפיזיקה והטכנולוגיה הגרעינית, ששימש כאנליסט בכיר בקהילת המודיעין הישראלית.

[email protected]

סדרת הפרסומים מבט מבס"א מתפרסמת הודות לנדיבותה של משפחת גרג רוסהנדלר.

Lt. Col. (res.) Dr. Raphael Ofek
סא"ל (מיל') ד"ר רפאל אופק

(Ph.D. Ben-Gurion University) Former senior analyst in IDF military intelligence and the Prime Minister’s Office. Specializes in WMD (Weapons of Mass Destruction) proliferation in the Middle East and North Korea. Email: [email protected]