יום הולדת לכור גרעיני

על כרזות הבד בנות עשרות המטרים שגילגלו פעילי גרינפיס מגגו של
מגדל סירס בשיקאגו, שהיה באותה עת הבניין הגבוה בעולם, נדפסו דרישות
חד-משמעיות: "להפסיק את הסיוט הגרעיני בן 50 השנה", ו"עולם חופשי
מאנרגיה גרעינית – עכשיו". שני ארגוני רופאים (הארגון למען אחריות חברתית
והארגון הבין-לאומי של הרופאים למניעת השימוש בנשק גרעיני), פירסמו
גילויי דעת על גבי מודעות גדולות בעיתונים, אולם הם הקפידו לציין
שהתנגדותם מכוונת לכורים המשמשים לייצור נשק גרעיני, ולא לכורים
המפעילים תחנות כוח. כך צוין – בדצמבר 1992, יום ההולדת ה-50 של הכור
הגרעיני הראשון בעולם.
.
מונה גייגר יצא מדעתו
.

לעומת זאת, באוניברסיטת שיקאגו, לא רחוק ממוקד המחאה במגדל סירס,
נחנכו כיכר ואנדרטה לזכרו של מפתח הכור הגרעיני הראשון, הפיסיקאי
האיטלקי אנריקו פרמי. פרמי נולד ברומא בשנת 1901. בהיותו בן 17,
סטודנט-חוקר מצטיין באוניברסיטת רומא, העניק "קורס מזורז" בפיסיקה
עיונית למנהל המחלקה. בהיותו בן פחות מ-30, כבר התמנה פרופסור
מן המניין. בשנות ה-30 עסק בניסויים שתכליתם הפקת יסודות רדיואקטיביים
שונים. הטכניקה שהייתה מקובלת באותו זמן למטרה זו, הייתה הפצצת
דוגמאות חומר שונות בחלקיקי אלפא (שהם בעלי מטען חשמלי חיובי).
פרמי הבין לראשונה, שאפשר לבצע את הפעולה הזאת ביעילות רבה יותר,
אם דוגמאות החומר יופצצו בניטרונים (שהם ניטרליים מבחינה חשמלית)
במקום בחלקיקים הטעונים.

בניסויים האלה הפרידו לוחות עופרת בין מקור הניטרונים לבין היסודות
המופצצים. פרמי, בהברקה פתאומית, החליף את העופרת בפרפין. התוצאה
מתועדת ביומני המעבדה בכתובת "מונה גייגר יצא מדעתו" (מונה גייגר
הוא מתקן המודד את שיעור הרדיואקטיביות).

התברר שהפרפין האט את תנועת הניטרונים, וניטרונים אטיים שוהים
זמן רב יותר בקרבת גרעינו של היסוד המופצץ, מה שגורם לכך שניטרונים
רבים יותר יילכדו בגרעינים המופצצים. תגלית זו, שפתחה למעשה את
האפשרות לבצע תגובות גרעיניות מבוקרות, זיכתה אותו בפרס נובל
לפיסיקה בשנת 1938.
.
צרות צרורות.

זמן קצר לאחר מכן, היגר עם אשתו היהודיה וילדיהם, מאיטליה
הפאשיסטית לארה"ב. באותו זמן, ניסו המדענים הגרמניים, אוטו האן
ופריץ שטרסמן, להפציץ תמיסה של חנקת האורניום בניטרונים אטיים.
להפתעתם, קיבלו אטומי באריום. האן תיאר את התופעה הלא מובנת, במכתב
ששלח לפיסיקאית ליזה מייטנר, והיא הבינה לראשונה שהניטרון האטי מבקע
את אטום האורניום 235 לשני גרעינים קלים יותר: באריום וקריפטון, תוך
שחרור אנרגיה. תגלית רדפה תגלית, וליאו סילארד, שהפציץ תחמוצת
אורניום בניטרונים אטיים, גילה שבתהליכי הביקוע של אטומי האורניום
235, נפלטים שנים או שלושה ניטרונים (בקירוב) כתוצאה מלכידתו של
ניטרון בודד. כך נתגלתה תגובת השרשרת הגרעינית המזינה את עצמה.
לימים, אמר סילארד כי "באותו יום הבנתי שצרות צרורות צפויות
לעולמנו".

כאן חזר לתמונה פרמי, שהחל לתכנן מתקן שיפעיל תגובת שרשרת
גרעינית מבוקרת, כלומר, שלא תוכל להגיע לידי פיצוץ גרעיני. באולם
סקווש, מתחת ליציעיו של איצטדיון פוטבול נטוש (השייך כיום
לאוניברסיטת שיקאגו), החל להקים "ערימה" של 347 טון לבני גרפיט
(חומר מאט ניטרונים) שביניהן הונחו 36,265 קילוגרם תחמוצת אורניום
ו-5,580 קילוגרם אורניום. ביניהם שולבו מוטות קדמיום בולעי
ניטרונים (שבלמו את תגובת השרשרת הגרעינית והניחו לתהליך להתקיים
ברמה שאינה עלולה לגרום פיצוץ). תלמידתו של פרמי, ליאונה סטיוארט
(לימים, פיסיקאית ידועה בזכות עצמה), החלה – באטיות זהירה –
להוציא את מוטות הקדמיום מה"ערימה". כעבור שעה ו-49 דקות, הגיע הכור
הגרעיני הראשון בעולם, למצב "קריטי". כך נפתחה הדרך לפיתוחה של פצצת
הביקוע הגרעינית, אך בה בעת, החלו המחקרים שתכליתם רתימת האנרגיה
הגרעינית להפקת חשמל.
.

כורי דגירה.

כורי הביקוע הגרעיניים ("כורי דגירה") נבדלים מכורים גרעיניים אחרים
המשמשים להפקת חשמל, בשתי תכונות עיקריות. ראשית, בעת שהם "שורפים"
דלק, הם מפיקים דלק נוסף. לעתים, כמות הדלק הנוצרת בהם, עולה על כמות
הדלק שהם שורפים. תהליך זה אינו מתקיים בכורים גרעיניים רגילים. שנית,
"כורי הדגירה" מבוססים על תגובת שרשרת גרעינית הפועלת בפלוטוניום 239,
ואילו כורי הביקוע הרגילים מבוססים על תגובה כזאת הפועלת באיזוטופ אורניום
235.

כורים גרעיניים מפיקים חשמל, באמצעות הפקת חום המשמש להפקת
קיטור, המניע טורבינות. החום מופק בתהליך ביקועם של גרעיני אטומים
כבדים. כפי שהבינה לראשונה ליזה מייטנר, כאשר מבקעים גרעינים כבדים
מסוימים, לשני גרעינים קלים יותר, משתחררת "מאסה עודפת", בצורת
אנרגיית חום (לפי נוסחת שוויון האנרגיה והמאסה של איינשטיין). בכור
גרעיני, משמשת האנרגיה הזאת, המשתחררת באופן מבוקר, להפקת הקיטור
המניע את הטורבינות המפיקות חשמל. כאשר האנרגיה הזאת משתחררת באופן
לא מבוקר – מתרחש פיצוץ גרעיני.
.
בליעה, ספיגה ופליטה.

כדי להפיק די חום הדרוש לייצור הקיטור, יש לבצע ביקועים
גרעיניים בקצב מהיר, שאפשר להשיגו רק באיזוטופ אורניום 235 (מעורר)
המתבקע בקלות רבה יותר, בהשוואה לאיזוטופים האחרים של האורניום.
אבל, האיזוטופ הזה מהווה רק 0.7% מכלל האורניום המצוי בטבע. כל
השאר, הוא בעיקר אורניום 238, שביקועו קשה הרבה יותר.

כדי לבקע את גרעין האטום של האורניום 235, יש להוסיף אליו
ניטרון אחד, ההופך אותו לאורניום 236, שמתבקע מייד ויוצר שני
גרעינים נפרדים, קלים ויציבים יותר. כפי שגילה סילארד, בתהליך הזה
נפלטים מהגרעין המתבקע שניים או שלושה ניטרונים נוספים, העשויים
לפגוע באטומים נוספים של אורניום 235 ולפרקם, וחוזר חלילה, עד
ליצירת תגובת שרשרת, הגורמת המרה מהירה של חומר לאנרגיה רבה מאוד.
בכור גרעיני רגיל, מספר הביקועים מבוקר באמצעות בליעת כמות ידועה של
ניטרונים "תועים", מה שמבטיח שמספר הביקועים בזמן נתון, לא יעלה על
כמות מסוימת.
.

בתהליך הזה, המתקיים בכל כור ביקוע גרעיני, נוצר מוצר לוואי
חשוב: יסוד רדיואקטיבי כבד ולא יציב, שאינו מצוי בטבע – פלוטוניום 239.
כמות הפלוטוניום שנוצר בכור תלויה בסוג הכור ובשיטת הפעלתו.
הפלוטוניום בקיע ממש כמו האורניום הנדיר, אורניום 235, ולפיכך הוא
מתאים כמוהו ליצירת פצצה גרעינית – וגם להפעלת כורים גרעיניים להפקת
חשמל. תהליך ייצורו של הפלוטוניום, מתחיל כאשר ניטרון אטי פוגע
ונלכד בגרעין של האורניום הנפוץ (הלא בקיע), אורניום 238. כך נוצר
אורניום 239, שבתהליך לא ארוך של דעיכה רדיואקטיבית, הופך, ברובו,
לפלוטוניום 239.

הייתרון העיקרי של כורים המוזנים בפלוטוניום, נובע מכך שהם
מנצלים, למעשה, את הכמויות הגדולות של האורניום 238, ולא רק את
האורניום 235 המהווה 0.7% בלבד מהאורניום שבטבע). מכאן עולה הרעיון
שעליו מבוססים כורי הדגירה. רעיון זה מבוסס על האפשרות להניח את
הפלוטוניום בכור, כשהוא מוקף בשכבות של אורניום 238. כך, חלק
מהניטרונים שייפלטו בתהליך הביקוע של הפלוטוניום, יילכדו באטומי
אורניום 238 ויפתחו בתהליך שבסופו הופך האורניום 238 (שאינו מתאים
לשמש דלק גרעיני) לפלוטוניום 239 – שהוא דלק גרעיני יעיל ביותר.
.
ההבטחה
.

מכיוון שהפלוטוניום פולט בתהליך ביקועו ניטרונים רבים למדי,
אפשר, באמצעותם, לייצר יותר פלוטוניום מהפלוטוניום שמתכלה בכור
באותו זמן (לשם כך יש, כמובן, לספק לכור כמות מספקת של אורניום
238). כך מייצרים כורי הדגירה לעצמם את הדלק הדרוש להם. הסיכון
העיקרי שבהפעלת כורי דגירה, נובע מהעובדה שתגובת השרשרת בפלוטוניום
היא מהירה מאוד, ולפיכך, קשה יותר לקיים אותה תחת בקרה.

מצד שני, קשה להתעלם מהייתרון הגלום בהבדלים שבין הכמויות
הזמינות של החומרים האלה. לפי תחשיבים מסוימים, האורניום 235 שעליו
מבוססים כורי הביקוע הרגילים, והמהווה 0.7% מהאורניום שבטבע, יכול
להספיק להפקת חשמל במשך כמה עשרות שנים בלבד. שימוש בפלוטוניום
(שמקורו באורניום 238), יכול להספיק לכמה אלפי שנים.

הצרפתים היו הראשונים שבנו והפעילו כורי דגירה בעלי הספק מעשי
(כורי "פניקס" שהספקם 250 מגה-וואט, וכורי "סופר פניקס" שהספקם
1,250 מגה-וואט). במדינות אחרות נתקלו המצדדים בכורים כאלה,
בהתנגדויות שונות, שהתבססו בעיקר על חשש בטיחותי מהגובת השרשרת
המהירה של הפלוטוניום. לכך עשויה אולי להימצא תשובה, בדמותם של
כורי הדגירה האטיים, שיתבססו על איזוטופ קשה ביקוע אחר (תוריום 232)
שאפשר להופכו – בתהליך הדומה לתהליך ייצורו של הפלוטוניום –
לאורניום 233. איזוטופ זה (אורניום 233) ניתן לביקוע בקלות יחסית,
ועם זאת, מכיוון שהוא מבוקע בעיקר על-ידי ניטרונים "אטיים", קל לבקר
את תגובת השרשרת המתבצעת בו, והוא גם אינו מתאים לייצור פצצות.