‫‪Magnetic Confinement Fusion‬‬
‫נתחיל את המאמר בהגדרה מהי בעצם פלזמה?‬
‫פלזמה‬
‫הפלזמה היא בעצם גז אשר מכילה כמות נכבדת של האטום הנבחר או של המולקולות המיוננות שלו {שיוננו‬
‫על ידי הפרדה של אחד או יותר מהאלקטרונים שלו}‪ .‬האלקטרונים החופשיים והטעונים הללו מאפשרים‬
‫בעצם לפזלמה להכיל מטענים אלקטרונים חופשיים‪ ,‬כאשר הפלזמה היא המקום היחיד בו אשר ריאקציות‬
‫תרמומולקולריות יכולות לקרות‪.‬‬
‫פלזמות אשר נמצאות בטמפרטורות גבוהות במיוחד מכילים גזים אשר מיוניים באופן מלא‪ ,‬כלומר היחס שבין‬
‫האטומים הניטרלים לאטומים הטעונים הוא קטן מאוד‪ .‬לדוגמא כמות האנרגיה של יון מיונן באטום המימן‬
‫היא ‪ 13.6‬אלקטרון וולט‪ ,‬בעוד האנרגיה הממוצעת של אטום המימן אשר נמצא בתוך הפלזמה הוא ‪ 50‬מליון‬
‫קלויין או במונחים של אלקטרון וולט זה יוצא ‪ 6426‬אלקטרון וולט {הבדל משמעותי ביותר} ומכאן שבסופו‬
‫של דבר כל המימן בפלזמה יהיה מיונן‪.‬‬
‫קצב הריקאציות בפלזמה‬
‫הפרמטר של קצב הריקאציות בפלזמה מתאים לעובדה כי לחלקיק בפלזמה‪ ,‬כמו בכל גז אחר‪ ,‬יש חלוקה של‬
‫האנרגיה‪ .‬מכאן זה אומר שלא לכל החלקיקים יש את כמות האנרגיה הזהה‪ .‬בפלזמה פשוטה החלוקה של‬
‫רמות האנרגיה נקבעת לפי "חוק החלוקה של מקסוול‪-‬בולצמן"‪ ,‬שאומר שהטמפרטורה בגז או בפלזמה היא‬
‫פרופורציונלית לקבוע שהוא ‪ 2/3‬מהאנרגיה הממוצעת של החלקיק‪ .‬לדוגמא‪ :‬הקשר בין האנרגיה הממוצעת ‪E‬‬
‫והטמפרטורה ‪ T‬נתונה על ידי המשוואה ‪ . E = 3kT/2‬כאשר ‪ K‬זהו קבוע בולצמן ‪ 8.62 × 10−5 eV‬ליח'‬
‫קלווין‪ .‬העוצמה של ההתכה הגרעינית בפלזמה נגזרת על ידי מיצוע המכפלה הוקטורית של מהירות החלקיק‬
‫והחתך עבור פילוג מהירות יחסית להתפלגות מקסוול בולצמן‪ .‬החתך הרוחבי עבור הריאקציה תלוי במהירות‬
‫או באנרגיה אשר יש לחלקיק‪ .‬התהליך הממוצע נותן נוסחה עבור עבור ריאקציה נתונה שתלויה על‬
‫הטמפרטורה בלבד ואשר יכולה להיות מסומנת בתור )‪.f(T‬‬
‫קצב שחרור האנרגיה‬
‫בריאקציה בין שני טיפוסים‬
‫נניח ‪ A‬ו‪ B‬היא‬
‫‪ ..Pab = nanbfab(T)Uab‬כאשר ‪Na‬‬
‫‪ Nb‬הם הצפיפות של שני‬
‫הטיפוסים ‪ A‬ו‪ B‬בפלזמה ו‪UAB‬‬
‫זוהי האנרגיה שמתשחררת בכל‬
‫פעם שיש ריאקצית התכה בין ‪A‬‬
‫ו‪ .B‬מכאן שהפרמטר ‪ PAB‬צריך‬
‫לקחת בחשבון גם את הקצב של‬
‫הריאקציה וגם את הכמות‬
‫האנרגיה שמשתחררת עבור כל‬
‫ריאקציה‪.‬‬
‫‪ MCF‬היא אחת משתי השיטות הקיימות כרגע אשר משמשות למחקר עבור הגבלה של הפלזמה‪ .‬ע"י שימוש‬
‫במכונות האלו‪ ,‬שדות מגנטים מופעלים על מנת להכיל את החלקיקים הטעונים שמרכיבים את הפלזמה החמה‬
‫ולהרחיק אותם כמה שיותר מדפנות‪/‬קירות של החדרים‪ .‬משתמשים בשיטה הזאת על מנת להכיל את הפלזמה‬
‫עבור זמן ארוך יחסית עם צפיפות נמוכה‪.‬‬
‫ההנחה של ‪ MCF‬מבוססת על האופי של החלקיקים הטעונים {כמו אלו הנמצאים בתוך הפלזמה} וטוענת כי‬
‫הם ינועו לאורך הקווים של השדות המגנטים‪ .‬עבור חלקיק טעון בשדה מגנטי אנחנו יודעים כי פועל עליו כוח‬
‫לורנץ שהינו פרופורציוני למכפלה הוקטורית בין המהירות והשדה המגנטי‪ ,‬ואשר כוח זה הנוצר במכפלה גורם‬
‫לאלקטרונים וליונים לנוע בצורה מעגלית סביב הכיוון הקווים של הכוח המגנטי ועל ידי כך מגבילים את‬
‫התנועה של החלקיקים‪ .‬על ידי סידור של שדות מגנטים בדרך הנכונה‪ ,‬מדענים היו מסוגלים "ללכוד" את‬
‫הפלזמה על ידי השדות‪ .‬בזמן שהפלזמה הייתה מוחזקת‪ ,‬היה ניתן לחמם אותה על ידי קומבינציה של גלי‪-‬‬
‫מיקרו‪ ,‬קרן של חלקיקים‪ ,‬וכמו כן על ידי חימום שנובע מזרם שעובר דרך הפלזמה‪ .‬הצפיפות של הפלזמה‬
‫בתוך התחום המגנטי היא בערך ‪ 10‬בחזקת ‪ 15‬חלקיקים לסנטימטר מעוקב‪ ,‬שזה בערך פי ‪ 1000‬פחות מאוויר‬
‫בטמפרטורת החדר‪ .‬כרגע ישנם שני סוגים של מערכות של ‪:MC‬‬
‫‪" .1‬המראה" שזה בעצם מתקן פתוח‬
‫‪ TORODIAL .2‬שזה בעצם מתקן סגור‬
‫‪" ‬המראה"‪THE MIRROR-‬‬
‫פיתוחים ועיצובים ישנים של מכשירי ה‪ MC‬כוללים‬
‫עיצובים של שדות בצורת המראה‪ .‬ההנחה הבסיסית‬
‫שעומדת סביב המתקנים שפותחו בצורת המראה היא‬
‫שכאשר זרם זורם דרך הפלזמה הוא יסחב את‬
‫הפלזמה בזכות השדה המגנטי שהוא ייצור‪ .‬שדות‬
‫מגנטים הם הרבה יותר חזקים משדות גרביטציונים‪,‬‬
‫לכן הייתה תקווה כי השדות האלו יוכלו להכיל את‬
‫הפלזמה‪ .‬למרבה הצער שדות מגנטים הם שדות שהם‬
‫דו ‪-‬מימדיים ופועלים רק בניצב לכיוון הזרם‪ .‬בשל כך‬
‫צורת הפלזמה שהייתה מוכלת במתקנים הללו היו‬
‫צלינדרית‪ .‬על מנת למנוע את בריחת הפלזמה בקצוות‪,‬‬
‫הוצבו בקצוות שני סלילים שיצרו שדה מגנטי חזק‬
‫סביב עצמם‪ ,‬כאשר במרכז השדה הינו חלש יותר‪.‬‬
‫הסלילים יצרו צוואר בקבוק עבור הפלזמה בקצוות‬
‫בכל קצה ועל ידי כך מנעו מהפלזמה לברוח‪.‬‬
‫‪ -THE TOKOMAK ‬מתקן רוסי סגור שבתוכו שדות מגנטיים‬
‫המילה ‪ TOKAMAK‬באה מהמילים הרוסיות "‪ "TOroidalnaya KAmera ee MAgnitnaya Katushka‬או‬
‫בפירוש לאנגלית ‪"Toroidal Chamber and Magnetic Coil ":‬‬
‫המכשיר עוצב ושומש לראשונה ברוסיה‪ .‬העיצוב שלו בנוי ככה שהחדרים הם בצורה של "דונטס" כלומר אין‬
‫להם שום קצוות פתוחים‪ .‬השדות המגנטים נוצרים על ידי הזרם שרץ בתוך הסלילים שעוטפים את הכור‪.‬‬
‫השדה המגנטי חזק מאוד באזור של המרכז ועל ידי כך גורם לפלזמה‬
‫ליטות לכיוון הקירות החיצוניים‪ .‬על מנת למנוע זאת יש שדה מגנטי‬
‫אחר שנוצר על ידי זרם שעובר דרך הפלזמה עצמה ובשילוב עם השדה‬
‫המגנטי שעובר בתוך הסלילים הם יוצרים קווים מגנטים שמתפתלים‬
‫סביב ה‪ .TORUS‬הפיתול מנטרל את אפקט הסחיפה של הפלזמה‬
‫בזכות השדה המגנטי הפנימי החזק ובצורה הזאת לוכד את הפלזמה‬
‫בצורה יעילה‪.‬‬
‫חתך של ה‪TOKOMAK REACTOR‬‬
‫החימום ההתחלתי של ה‪tokomak‬‬
‫יכול להתבצע במספר דרכים וכמו‬
‫כן בשילוב של מספר דרכים‬
‫‪ .1‬חימום על ידי זרם‬
‫הפלזמה יכולה להיות מחוממת עד‬
‫לטמפרטורה של ‪ 20-30‬מליון קלווין‬
‫על ידי העברת זרם דרך הפלזמה‪ .‬זה‬
‫נקרא "חימום אוהמי" או "חימום‬
‫התנגדותי"‪ .‬האפקטיביות של‬
‫החימום היא פונקציה של‬
‫ההתנגדות היחסית של הפלזמה‬
‫והזרם‪ .‬למרות זאת ככל‬
‫שהטמפרטורה עולה‪ ,‬ההתנגדות‬
‫יורדת‪ ,‬ולכן השיטה הזאת הזאת של‬
‫החימום נעשית פחות ופחות יעילה‪.‬‬
‫על כן יש צורך בשיטות נוספות על‬
‫השיטה הזאת כדי שנוכל לדרוש‬
‫מהפלזמה להגיע לטמפרטורה‬
‫הרצויה לנו‪.‬‬
‫‪Neutral Beam Injector.2‬‬
‫בשיטה הזאת משתמשים בהזרקה של אטומים ניטרלים עם אנרגיה גבוהה מאוד שנורים לתוך הפלזמה‬
‫ובאופן מיידי עוברים יינון‪ .‬היונים האלו יכולים להילכד על ידי השדות המגנטים ולהעביר חלק מהאנרגיה‬
‫שלהם לחלקיקם שבסביבת הפלזמה דרך הסלילים ועל ידי כך להעלות את הטמפרטורה הכללית‪.‬‬
‫‪Magnetic Compression.3‬‬
‫חימום הפלזמה יכול להתבצע על ידי דחיסה מהירה‪ ,‬שאפשרית על ידי העלאת העוצמה של השדות המגנטים‪.‬‬
‫במכשיר ה‪ ,Tokamak‬הדחיסה הזאת מבוצעת על ידי העברת הפלזמה למקום בו השדה המגנטי הוא בעל‬
‫עוצמה חזקה יותר‪.‬‬
‫‪Radiofrequency Heating.4‬‬
‫בשיטה הזאת משתמשים בגלים בעלי תדרים גבוהים אשר משוגרים לתוך הפלזמה על ידי שימוש‬
‫במתנד{אוסילטור}‪ .‬אם הגלים הם בעלי האורך גל הנכון‪ ,‬האנרגיה שלהם יכולה להיות מועברת לחלקיקים‬
‫מסויימים שלאחר מכן מעבירים את האנרגיה שלהם לאחרים על ידי התנגשות‪.‬‬
‫‪Rederance:‬‬
‫‪1. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/421667/nuclear-fusion/48328/Magnetic‬‬‫‪confinement?anchor=ref917672‬‬
‫‪2. http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_confinement_fusion‬‬
‫‪3. http://www.phys.washington.edu/users/sharpe/486/pasko_f.pdf‬‬