כור גרעיני
15/03/2011

כור גרעיני הוא מערכת שבה מתרחש תהליך של ביקוע גרעיני מבוקר. בעזרת מערכת זו ניתן להפיק אנרגיה חשמלית.  

תהליך הביקוע תואר בפעם הראשונה על ידי ליסה מייטנר, בסוף 1938: נויטרון נבלע בגרעינו של יסוד רדיואקטיבי כבד וגורם להתפצלות הגרעין לשני גרעינים קטנים יותר, תוך שחרור אנרגיה, לפי נוסחת אינשטיין E=mc2; הפיסיקאי ליאו סילרד תיאר את "תגובת השרשרת" ופתח את  הדרך שהוליכה לבנייתה של הפצצה הגרעינית הראשונה מזה, ולבנייתו של הכור הגרעיני הראשון מזה. בתהליך של תגובת שרשרת הנויטרונים גורמים לפיצול הגרעין, ובמהלך הפיצול נפלטים נויטרונים נוספים הגורמים לפיצול נוסף וכך הלאה. כבר ב-1942 בנה אנריקו פרמי במסגרתה של תוכנית מנהטן את הכור הגרעיני הראשון, במרתף באוניברסיטת שיקגו, שהתבסס - ככל הכורים שנבנו אחריו - על תגובת השרשרת.

"הדלק" של הכור הגרעיני מורכב מחומרים רדיואקטיביים "בקיעים" שמשחררים בתהליך הביקוע גם כמה נויטרונים. למוצרי הביקוע הנפלטים יש אנרגיה קינטית, ההופכת לחום עם פגיעתם בחומרים שבתוך הכור או במעטפתו. עוד אנרגיה משתחררת בצורת קרינה. כמות האנרגיה שאפשר להפיק מק"ג אחד של חומר גרעיני גדולה פי 1,000,000 לערך מן האנרגיה שאפשר להפיק מק"ג אחד של פחם.
רק שלושה חומרים בלבד יכולים לספק תגובת שרשרת בת-קיימא: האיזוטופ 235 של היסוד אורניום, והאיזוטופים 239 ו-241 של היסוד פלוטוניום. בכור גרעיני, תגובת השרשרת חייבת להיות מבוקרת; אם אין התהליך מבוקר, עלול להתחולל פיצוץ גרעיני, או תגובת השרשרת תדעך ותיפסק מאליה. "בקרה" בהקשר זה פירושה שמספר הנויטרונים המשתתפים בתהליך יהיה מספיק גדול כדי שתהליך השרשרת יימשך, אך קטן מכדי שכל החומר הבקיע יתבקע בבת אחת. פרמי מצא כי נויטרונים אטיים עדיפים לצורך זה על נויטרונים מהירים, ויכולים להביא לקצב הביקוע הרצוי. את הנויטרונים מאיטיים באמצעות ממתן כמו גרפיט או מים (במיוחד מים כבדים).

הליבה של כור גרעיני חייבת להיות בלתי-חדירה לקרינה, כדי למנוע את הגעתה לשאר חלקי הכור והלאה, אל הסביבה. לפיכך היא עבה וכבדה מאוד. לרוב היא עשויה בטון מזוין בפלדה ובעופרת. 

הליבה מכילה את מוטות "דלק" שבהם החומר הבקיע, חומר ממתן ומוטות בקרה שליפים. תפקידו של החומר הממתן הוא לספוג חלק מהאנרגיה של הנויטרונים המשתחררים ולהאט אותם. מוטות הבקרה עשויים חומר בולע נויטרונים,
כל אלה טבולים בתוך נוזל - מים, מים כבדים, או מתכת קלה במצב נוזלי. – התפקיד של הנוזל הוא לווסת את הטמפרטורה בליבת הכור.ללא קירור, עליית הטמפרטורה תביא בסופו של דבר להתכת מוטות הדלק, תנטרל את פעולת הממתן ותגרום לשחרור כמות גדולה של חומר רדיואקטיבי.

אם הכור משמש בתחנת כוח, יש להמיר את האנרגיה הגרעינית לצורת האנרגיה הרצויה – חום. בעקבות הביקוע מתחמם הנוזל שבליבה, וחום זה מנוצל להפקת קיטור.

הנוזל שבתוך הליבה מכיל כמות מרובה של חומרים רדיואקטיביים מסוכנים, כך שאי-אפשר לנצלו במישרין לחימום. ברוב דגמי הכורים נוזל הקירור מועבר במערכת סגורה אל ממיר חום, שם הוא מחמם מים עד רתיחה. המים האלה הופכים לקיטור ומפעילים טורבינה, ומכאן נמשך תהליך הפקת החשמל בדרך הרגילה. 
 

כמו בכל תהליך שבו מתבצעת המרת חום לצורה אחרת של אנרגיה, הנצילות אינה מלאה. שיעורה ברוב הכורים נע בין 25% ל-40%.

הסכנה המיוחדת לכורים גרעיניים, בניגוד לתחנות כוח אחרות, היא שמוצרי ביקוע רדיואקטיביים וקרינה רדיואקטיבית יצאו מתחומי הכור. לשם כך מקיפים אותו בשכבות מגן בולעות. ליבת הכור עצמה מוקפת במעטה כבד המכיל כמות רבה של עופרת, מתכת שמיטיבה לבלוע קרינה רדיואקטיבית. מבנה הכור כולו עשוי בטון כבד.

בעיה אחרת היא תקלה אפשרית במנגנון הבקרה. כדי למנוע זאת פותחו אמצעי בטיחות מתוחכמים ביותר, שמטרתם להקטין ככל האפשר את סבירות התקלה. התאונה החמורה ביותר העלולה להתרחש בכור גרעיני אינה התפוצצות גרעינית - כמות החומר הבקיע אינה מגיעה למסה קריטית - אלא התכת ליבה (
core meltdown). במצב של חימום יתר, כשמנגנוני הבקרה השתבשו, עלול הדלק הגרעיני להתיך את קליפות המוטות שבהן הוא נמצא, וליצור גוש לוהט וכבד של אורניום ו/או פלוטוניום. התרחיש הגרוע ביותר מדבר על שקיעתו של גוש זה אל מעבה האדמה, תוך פליטת קרינה מזהמת לסביבה ובעיקר למי התהום ויצירת זעזועים סיסמיים. תאונת צ'רנוביל (1986), תאונת הכור הגרעיני החמורה ביותר בהיסטוריה עד כה, הייתה כרוכה בהתכת ליבה חלקית.

מעבר לכך קיימת בעיית הפסולת הגרעינית: מה עושים במוטות דלק ובקרה מנוצלים, בנוזל הקירור ובשאר הציוד והפריטים המבניים המצויים בכור, כאשר אין בהם עוד צורך? כל אלה רדיואקטיביים ביותר, וחלקם עתידים לשמור על הרדיואקטיביות שלהם עוד מאות אלפי שנים! הסכנות לאדם ולסביבה ברורות , ומחייבות טיפול שיבטיח כי חומרים אלה לא יוכלו להשתחרר עד אשר ייעשו בלתי. למרבה הצער, שום צורת טיפול שהונהגה עד כה אינה מסוגלת לספק סילוק בטוח של פסולת גרעינית. 

רוצים לדעת עוד?