סדרת צ'רנוביל - פוסט ראשון
10/06/2019
אם אתם מתגעגעים לצ'רנוביל, קבלו סדרת פוסטים על כורים גרעיניים והאסון הגרעיני החמור בהיסטוריה.
בשנת 1905 פיתח איינשטיין את המשוואה המפורסמת [1] E=mc^2 שמשמעותה היא שניתן להמיר מסה לאנרגיה, או אנרגיה למסה. המשוואה הזו הייתה הצעד הראשון בדרך לעידן הגרעין, ושינתה את מהלך ההיסטוריה האנושית ללא הכר.
עידן הגרעין החל בשנת 1932 עם גילוי הניוטרון על ידי הפיזיקאי הבריטי ג'ימס צ'דוויק.
הניוטרון, חלקיק כבד ונייטרלי מבחינה חשמלית, הוא אחת מאבני הבניין של כל האטומים המוכרים לנו. שנים ספורות לאחר הגילוי, ביצע הפיזיקאי האיטלקי אנריקו פרמי ניסויים בהפצצה של יסודות שונים באותו ניוטרון, בתקווה להבין בצורה טובה יותר את אופי התהליכים הגרעיניים. פרמי גילה שאורניום, יסוד כבד הפולט קרינה רדיואקטיבית, שהופצץ בניוטרונים איטיים (המונח הנפוץ הוא "תרמיים"), נוטה להתפרק ליסודות קלים יותר תוך פליטת אנרגיה וניוטרונים חדשים (ביקוע). תהליך זה הוא היסוד לפעולתם של כורים גרעיניים.
כורים גרעיניים מתבססים על המשוואה של איינשטיין וממירים מסה לאנרגיה בעזרת ביקוע של אורניום לאטומים קלים יותר (דעיכה גרעינית) שסכום המסות שלהם קטן מזה של אורניום, תוך פליטת ניוטרונים. הפרש המסה הזה משתחרר בצורת אנרגיה.
האנרגיה שמייצר הכור היא תוצר של תגובת שרשרת של ביקועי אורניום ופליטת ניוטרונים. לא כל הניוטרונים יצליחו לגרום לביקוע של האורניום, ולכן בכדי שליבת הכור (האזור בו מתרחשת התגובה הגרעינית) לא תדעך, תהליך הביקוע צריך לפלוט בממוצע יותר מניוטרון אחד. בכורים מודרניים, מטעמי בטיחות, כל ביקוע פולט מעט פחות מניוטרון אחד בממוצע, והחוסרים מושלמים בעזרת ניוטרונים הנוצרים בתהליכים אחרים בליבת הכור. נציין כי הדרך העיקרית לשלוט בכמות הנויטרונים הנפלטים היא המבנה הגיאומטרי של מוטות האורניום בליבה.
כדי ליצור תגובת שרשרת, הניוטרונים שנפלטים מהאורניום המתבקע חייבים להיות איטיים, שכן, ביקוע גרעיני, דורש שהניוטרון יבלע בגרעין האורניום ויהפוך אותו לכבד יותר ולא יציב, עד שיתפרק לגרעינים קלים יותר תוך פליטת ניוטרונים חדשים. ניוטרונים מהירים "עוברים" דרך גרעין האטום ולא נבלעים בו.
מאחר ורוב הניוטרונים הנפלטים הם דווקא מהירים, יש להאט אותם.
הדרך הקלה ביותר היא התנגשות באטומים קלים. האטום הקל ביותר הוא מימן, הנפוץ כחלק ממים. לכן, טכניקה נפוצה היא להציף את ליבת הכור במים בעת פעולתו בכדי להאט את הניוטרונים כך שיוכלו לגרום לביקועים נוספים. למים יש תפקיד חשוב נוסף - קירור הליבה של הכור והמרת אנרגיית החום לחשמל. בכורים גרעיניים המייצרים אנרגיה, המים מתאדים, והופכים לקיטור. הקיטור משמש להפעלת טורבינות, בדיוק כמו בתחנות כוח פחמיות. בכורים רבים מואטים ניוטרונים גם באמצעות אטומים כבדים יותר ממימן אשר יכולים להאט אבל לא לבלוע את הנויטרונים, למשל גרפיט.
בטבע קיימים מספר סוגים שונים (המונח המקצועי הוא איזוטופים [5]) של אורניום, כשהנפוץ בהם הוא אורניום 238, ולאחריו ברשימה אורניום 235. הם זהים מבחינה כימית, אולם אורניום 235 פולט יותר נויטרונים בעת ביקוע מאשר 238. מסיבה זו, כורים גרעיניים מתבססים על אורניום 235. אורניום שבו אחוז האטומים מסוג 235 הוא גבוה מאשר בטבע, נקרא "מועשר". ניתן לבנות גם כורים המתבססים על אורניום 238, אולם אלו טומנים בעיות רבות. בפרט, יש להפוך תחילה את האורניום לחומר בקיע בשם פלוטוניום. בין הבעיות, המימן שבמים המשמשים לקירור עלול לבלוע ניוטרונים, ולהפוך לאיזוטופ הנקרא תוך האטת תגובת השרשרת. מאחר ואורניום 235 פולט מספיק ניוטרונים לתגובת שרשרת, בכורים המבוססים על אורניום 235, שבהם המים סופגים חלק מהניוטרונים, תהליך זה אינו מהווה מגבלה משמעותית. לעומת זאת, בכורי אורניום 238 ספיגת הניוטרונים במים היא משמעותית, וכדי להפעיל את הכור יש להשתמש במימן שכבר ספג ניוטרון (או שניים) ולכן הסיכוי שלו לספוג ניוטרון נוסף הוא קטן הרבה יותר. מים המכילים מימן כזה נקראים "מים כבדים" והם חלק קריטי מהפעלת כורים המתבססים על אורניום 238. כורים המבוססים על אורניום 238 הם פחות נפוצים.
אחד העקרונות החשובים ביותר הוא בקרה על קצב ביקוע האורניום. אם הניוטרונים נפלטים בקצב גבוה מדי האורניום יתבקע בצורה בלתי נשלטת בתהליך מתגבר. תהליך זה, הזהה לחלוטין לזה המתרחש בפצצות אטום, עלול להתרחש אם הכור מתחמם יתר על המידה ופעולתו יוצאת משליטה. מסיבה זו, כורים גרעיניים נבנים לרוב בסביבת מקור מים גדול, בכדי שניתן יהיה להשתמש בו לקירור מהיר במקרי חירום.
כורים גרעיניים הם מקור האנרגיה הנקי והאמין ביותר שיש בידינו כיום. בכדי לקבל המחשה לכך [3], כור הפועל על 75 קילוגרם של אורניום מועשר יוכל לייצר 1000 מגה וואט של חשמל. לעומת זאת, ייצור של 1000 מגה וואט בתחנות כוח פחמיות [4] ידרוש 500 טון פחם. בעוד שבאורניום ניתן להשתמש תקופות ארוכות עד שצריך להחליפו, הפחם שנשרף בתחנת הכוח איננו ניתן לשימוש עוד. יתרון נוסף של תחנות כוח גרעיניות הוא מיעוט החומרים הרעילים הנפלטים לאוויר. הבדלים אלו הופכים את האנרגיה הגרעינית לנקייה מאוד, בוודאי ביחס למסלולים החלופיים הקיימים.
בכורים מודרניים יש מנגנוני הגנה רבים, שתפקידם להאט במהירות את הכור במידת הצורך. בנוסף, הכור מוקף בכיפה חזקה, שתפקידה לכלוא את תוצרי הכור במידה ויש תקלה. טכניקות אלו לא היו קיימות בכורים הסובייטים שנבנו באמצע המאה הקודמת, פרקטיקה שהוכיחה את עצמה כהרסנית, כפי שנסביר בפוסטים הבאים...
מקרות וקריאה נוספת:
[2] על ג'יימס צ'דוויק וגילוי הניוטרון:
[3] על הספק של כורים גרעיניים:
[4] על הספק של תחנות כוח פחמיות:
[5] על איזוטופים:
דוקטור לפיזיקה, בוגר הטכניון בחיפה. התמחה בפיזיקה של חלקיקים יסודיים, פיזיקה של מצב מוצק ואופטיקה. כיום, עוסק בעיבוד תמונה, עיבוד אותות ובלמידת מכונה. לשעבר המנהל המקצועי של עמותת "מדע גדול, בקטנה".
בוגר תואר ראשון B.A בתקשורת עם התמחות בתקשורת דיגיטלית ושיווק ממכללת עמק יזרעאל ובוגר לימודי עיצוב גרפי ממכללת נשיא טכנולוגיות, רמת גן.
