אחת השיטות המבטיחות להפקת אנרגיה נקייה היא היתוך תרמו גרעיני. תהליך ההיתוך הגרעיני מבוסס על חיבור של גרעינים קלים: מימן (פרוטון) או איזוטופים של מימן כגון דיאוטריום (גרעין המכיל פרוטון וניטרון) וטריטיום (גרעין המכיל פרוטון ושני ניטרונים) כדי לייצר גרעין כבד יותר (הליום), בתהליך זה משתחררת אנרגיה שניתן לנצל אותה, וכך למעשה מיוצרת האנרגיה בשמש.- (בתהליך זה ייצור האנרגיה מתרחש בשמש, האנרגיה הנפלטת בתהליך היא אנרגיה אלקטרומגנטית המגיעה לכדור הארץ בצורה של אור נראה וגם בצורות שאינן נראות כמו קרינה אולטרה סגולה וקרינה אינפרא אדומה).
איור 1: פלזמה חמה בשמש
זה תהליך הפוך ושונה מתהליך ביקוע גרעיני שבו מבקעים גרעינים כבדים (אורניום, פלוטוניום) לגרעינים קלים יותר ובאופן זה מקבלים אנרגיה. היתרון בשיטה ההפוכה הוא בכך שהגרעינים הכבדים (אורניום ופלוטוניום) נדירים בטבע ואילו המימן הוא היסוד השכיח ביותר בטבע ומרכיב בין השאר את מולקולת המים. המים כמובן זולים מאד, אבל נדרשת השקעה ראשונית של אנרגיה להפרדת מולקולת המים למימן וחמצן.
יש לציין שגם המימן וגם האורניום והפלוטוניום יכולים לשמש כמרכיבים של נשק גרעיני, אבל פצצת המימן (פצצה תרמוגרעינית) היא בעלת כוח הרס משמעותי הרבה יותר מפצצת האורניום והפולוטוניום. הפצצה התרמוגרעינית מייצגת תהליך היתוך בלתי מבוקר ובו משתמשים בפיצוץ ביקוע גרעיני על מנת לדחוס את המימן ולייצור תגובת שרשרת תרמוגרעינית. ארצות הברית בדקה את ההתקן התרמו-גרעיני הראשון בקנה מידה מלא ב-1 בנובמבר 1952. התוצאה הייתה פיצוץ שהיה שווה ערך לפיצוץ שהופק על ידי יותר מעשרה מיליון טון של TNT. כלומר בערך פי 700 מעוצמתה של פצצת האורניום (ביקוע) שהוטלה על הירושימה. אך בניגוד לתגובת הביקוע הגרעיני שניתן לשלוט בה ולבקרה, ולכן גם לייצור כורי ביקוע גרעיני לצורך ייצור חשמל, טרם הושג תהליך הפקת אנרגיה תרמוגרעיני מבוקר.
בתהליך התרמוגרעיני קיים הצורך לקרב את גרעיני המימן האחד לשני על מנת שיעברו תהליך של היתוך דה עקא שעקב המטען החשמלי הדומה של הגרעינים הם דוחים אחד את השני ולכן קירובם קשה ומאתגר. הפתרון לכך הוא לחמם את המימן לטמפרטורות גבוהות כך שגרעיני המימן יוכלו להתגבר על הדחייה ההדדית בעזרת האנרגיה שלהם (טמפרטורה גבוהה פירושה תנועה מהירה מאד של הגרעינים), גז בטמפרטורה גבוהה מאד נקרא פלזמה.
עד היום לא התאפשר להחזיק פלזמה חמה וצפופה מספיק לאורך זמן מספיק כדי שהאנרגיה שנוצרת בהיתוך התרמו גרעיני תעלה על האנרגיה המושקעת בחימום הנדרש ליצירת הפלזמה (בגז קר האלקטרונים קשורים בגרעינים ומצב הפלזמה לא נוצר, בגלל האנרגיה הנמוכה של האטומים (אלקטרונים וגרעינים קשורים) המאפיינת גז קר לא ניתן לעבור את המחסום האנרגטי שמונע את ההיתוך), הסיבה לכך היא שפלזמה בטמפרטורות גבוהות מתפרקת לאחר זמן קצר מאד, ולכן יש צורך בדרכים לייצב את הפלזמה. עבודת המחקר עוסקת בדרך אפשרית לייצוב הפלזמה.
הפרוייקט המרכזי בתחום ההיתוך התרמוגרעיני הוא הפרוייקט הבינלאומי ITER. ITER (פירושו “הדרך” בלטינית) הוא מגה-פרויקט בינלאומי למחקר והנדסה של היתוך גרעיני שמטרתו ליצור אנרגיה באמצעות תהליך היתוך דומה לזה של השמש. עם השלמת בניית הכור הראשי והפלזמה הראשונה, שתוכננה לסוף 2025, זה יהיה הניסוי הגדול בעולם בפיזיקה של כליאה מגנטית בפלזמה וכור ההיתוך הגרעיני הניסיוני הגדול ביותר של טוקאמק (פלזמה בצורה של טורוס (בייגלה)). הוא נבנה ליד מתקן Cadarache בדרום צרפת. ITER יהיה הגדול ביותר מבין יותר מ-100 כורי היתוך שנבנו מאז שנות ה-50, עם פי עשרה מנפח הפלזמה מכל טוקאמק אחר הפועל כיום. יחד עם זאת הפרוייקט סובל מבעיות ועיכובים רבים ועל כן נדרשות דרכים יצירתיות וחדשניות לקידום היתוך מבוקר של פלזמה.
דרך מקובלת לייצב מערכות מכניות היא שימוש בקבועי תנועה. כל מי שרכב על אופניים יודע שאופניים אינם יציבים אלא אם כן מדוושים, כלומר מסובבים את הגלגלים. סיבוב הגלגלים יוצר תנע זוויתי, ותנע זוויתי יוצר יציבות. פלזמה היא מערכת מכנית מורכבת הרבה יותר, ויש בה קבועי תנועה מעניינים שחלקם אופיינו לראשונה על ידי חוקרי האוניברסיטה באריאל, ביניהם הבורגיות המוכללת וכן וריאציות של הבורגיות הזאת המכונות (בורגיות אטה, ובורגיות חי). הבורגיות היא מדד של הקישורים בין קווי השדה המגנטי וקוי הזרימה (המונח קישור פה מתייחס למובן הרגיל כמו קשר של השרוכים בנעליים) בתוך הפלזמה. אם יש הרבה קשרים הבורגיות גבוהה ואם אין הרבה קשרים הבורגיות נמוכה. כמות הבורגיות נשמרת בסוגים שונים של פלזמות אידאליות כגון פלזמה בלתי דחיסה, או במקרה שהלחץ בפלזמה תלוי רק בצפיפות אבל לא בטמפרטורה. באוניברסיטת אריאל בשיתוף עם אוניברסיטה פרינסטון פותח סוג חדש של בורגיות (בורגיות מוכללת) הנשמר גם כאשר הלחץ תלוי גם בצפיפות וגם בטמפרטורה.
איור 2: קשר שפופרות של קווי שדה המייצג טופולוגיה לא טריביאלית. קרדיט: Princeton Plasma Physics Laboratory PPL
הבעיה היא שקבועי תנועה אלה נשמרים בתנאים אידאליים בלבד (כך גם תנע זוויתי באופניים, זו הסיבה שצריך לדווש כל הזמן כדי לא ליפול).
המחקר החדש של ד”ר פראחי שארמה פוסט דוקטורנטית הודית, שמבצעת את מחקרה בהנחייתו של פרופ’ אשר יהלום, עוסק בשאלה כיצד מושפעים קבועי הבורגיות מתהליכים לא אידאליים כגון צמיגות, מוליכות חשמלית סופית והולכת חום. במחקר נגזר ביטוי מתמטי המראה מה הקצב שצריך לתקן את הבורגיות בהתחשב בתנאים הלא אידאלים בפלזמה מסויימת (דומה לשאלה באיזה קצב צריך לדווש באופניים כדי לא ליפול). יש גם השוואה של הקצב בה אובדת הבורגיות המוכללת לקצב בה אובדת הבורגיות המגנטית שמתארת כיצד קווי השדה המגנטי קשורים זה בזה.
