גרעין
ד"ר אריה בק
אנרגיה גרעינית - הפתרון הטוב ביותר למשבר האנרגיה ולמשבר האקלים
אנרגיה גרעינית היא אנרגיה נטולת פחמן. תחנות כוח גרעיניות מספקות חשמל 24 שעות ביממה בכל ימות השבוע ונחשבות אמינות ביותר: מקדם הנצילות (capacity factor, זמינות) של תחנות כוח אלו הוא יותר מ-90 אחוזים. לשם השוואה מקדם הנצילות של תחנות כוח הפועלות על פחם או גז הוא כ-50 אחוזים, ואילו לאנרגיות מתחדשות אחרות מקדמי הנצילות נמוכים בהרבה. נכון להיום, 10 אחוזים מהחשמל בעולם מופק מאנרגיה גרעינית, כלומר כ-2.8 פטה-ואט לשעה בשנה (1PWh=1015Wh=1,000,000,000,000,000Wh).
בסוף שנת 2023 פעלו 413 תחנות כוח גרעיניות ברחביהעולם והפיקו יחדיו 371.5 ג'יגה-ואט חשמל (GW=109W). ארצות הברית היא המדינה המפיקה את הכמות הרבה היותר של חשמל בעזרת כוח גרעיני, 780 טרה-ואט לשעה (1TW=1012W), ואילו צרפת היא המדינה שבה אחוז הייצור של אנרגיה גרעינית הוא הגדול ביותר – 65 אחוזים. בסין קצב הצמיחה של משק האנרגיה הגרעינית הוא הגדול ביותר: 12 תחנות כוח גרעיניות חדשות נבנות כיום (2024) ברחבי המדינה.
על פי הסכם פריז (2015) וועידת האקלים שנערכה בדובאי בשנה שעברה, יש לצמצם את פליטת הפחמן לאפס עד 2050 כדי להגביל את עליית הטמפרטורה העולמית ל-1.5 מעלות צלזיוס. השילוב של אנרגיה גרעינית ושל אנרגיות מתחדשות הוא הפתרון בר-הקיימא החסכוני היחיד. החוקים שחתם עליהם הנשיא לשעבר ביידן ונועדו לשלש את תפוקת האנרגיה הגרעינית בארצות הברית עד לשנת היעד תומכים בכך.
אנרגיה גרעינית נחוצה בדחיפות להחזקת חוות שרתים עצומות (שירותי ענן) ולמרכזי בינה מלאכותית (AI) בשלב המו"פ, כפי שעולה מחברות הענק ומשאילתות החיפוש של הציבור הרחב. נכון להיום כל חברות הביגדאטה – אמזון, מטה, גוגל ומיקרוסופט – נמצאות בשלבים שונים של תכנון תחנות כוח גרעיניות למילוי צורכיהן. מעניין שכל חברה אימצה לשם כך גישה טכנולוגית שונה.
רוב הכורים כיום פועלים על אורניום מועשר, כלומר אורניום שריכוז האיזוטופ 235U שבו גבוה מ-0.7 אחוזים, הריכוז הטבעי של האיזוטופ בעופרה. רמת העשרה כזו נחוצה מאחר שההסתברות (חתך רוחב) לביקוע מושרה גבוהה בהרבה לאיזוטופ הזה, במיוחד כאשר הניטרונים הגורמים לו נעים לאט (אנרגיה קינטית נמוכה). מכיוון שניטרונים נוצרים מהר בביקוע, צריך שיהיה בכורים חומר שיאט אותם (moderator). החומרים העיקריים הם מים, רגילים או כבדים (כאשר מימן מוחלף בדאוטריום),וגרפיט. יש לקרר את הכור, בדרך כלל במים. מים אלה הופכים לקיטור ומניעים טורבינות ליצירת חשמל. תחנת כוח כזו מייצרת בדרך כלל כ-1 ג'יגה-ואט חשמל.
היום בוחנים סוג חדש של כור הנקרא "כור מודולרי קטן" (Small Modular Reactor , ובקיצור SMR). הכור הקטן מייצר כ-300 מגה-ואט, והוא מודולרי: חלקים מהכור ייבנו בקווי ייצור ייעודיים ויורכבו באתר – דבר שיפחית דרמטית את זמן הבנייה ואת העלות.
החברות שוקלות מגוון פתרונות טכנולוגיים. חברת טרה-פאוור (Terrapower) – החברה שייסד ביל גייטס לתכנון ולייצור של כורים גרעיניים – פיתחה אב טיפוס של כור נטריום המשלב ייצור חשמל ואגירת אנרגיה. זהו כור ניטרונים מהיר ללא חומרים מאטים. הוא מקורר בעזרת נתרן והאנרגיה העודפת נאגרת במלח מותך. אגירת האנרגיה יכולה להגדיל את החשמל ברשת ב-30 אחוזים לפי דרישה.
עיצוב מעניין אחר של כור אימצו חברת גוגל וחברת האנרגיה קאירו (Kairo power cooperation). בעיצוב זה הדלק ארוז בכדורי קרמיקה קטנים ('pebble beds') המוקפים בגרפיט כדי להאט את הניטרונים. מלח מיוחד ישמש כנוזל קירור והכור יתודלק ברציפות: הדלק המשומש יוחלף בחדש בעוד הכור ממשיך לפעול.
השמירה על הבטיחות בכור SMR צפויה להיות פשוטה יותר מהכורים הקיימים כיום. גודלו ועוצמתו המוגבלים מאפשרים להסתמך על מנגנון פסיבי ולשמור על בטיחות הכור ללא התערבות אדם.
קצת היסטוריה – גילוי הרדיואקטיביות
בשנת 1896 גילה הפיזיקאי הצרפתי, הנרי בקרל (Henry Becquerel), את הרדיואקטיביות כאשר הבחין שמלח אורניום צבע נייר צילום בחושך. הוא גילה שהקרינה הזו חודרת גופים כמו קרני רנטגן ונפלטת באופן ספונטני מהאורניום. שנתיים אחר כך גילו הזוג הצרפתי מארי (ממוצא פולני) ופייר קירי יסודות רדיואקטיביים נוספים – תוריום, פולוניום ורדיום – וטבעו את המונח "רדיואקטיביות". שלושתם זכו בפרס נובל בשנת 1903 על גילוי הרדיואקטיביות.
אחד המדענים העיקריים שתרמו לפיזיקה הגרעינית המודרנית הוא הפיזיקאי הקנדי ארנסט רתרפורד (ממוצא ניו זילנדי). הוא הבחין בין סוגים שונים של רדיואקטיביות גרעינית, וב-1911, בעקבות הניסוי על פיזור חלקיקי אלפא מעל הזהב, הוא הציע את התיאוריה שהמטען החיובי של האטום מרוכז בנפח זעיר במרכזו. לנפח זה במרכז האטום קרא רתרפורד גרעין. רתרפורד היה מעורב גם בגילוי הפרוטונים והניטרונים ובהגדרתם כאבני הבניין של הגרעין. הוא זכה בפרס נובל לכימיה על מחקר ועל פירוק רדיואקטיבי.
יש כמה תהליכים רדיואקטיביים: קרינת גמא, פוטונים אנרגטיים החודרים עמוק לתוך החומר; קרינת בטא שלילית (או חיובית), אלקטרונים (אופוזיטרונים) אנרגטיים החודרים את החומר לעומק בינוני; וקרינת חלקיקי אלפא, גרעין הליום אנרגטי (שני פרוטונים ושני ניטרונים) החודר מעט את החומר.
ככלל הגרעין הרדיואקטיבי אינו יציב, וכאשר הוא פולט קרינה הוא מאבד אנרגיה ונעשה יציב יותר. איזוטופים הם גרעינים בעלי אותו מספר פרוטונים אך מספר שונה של ניטרונים. יותר מדי ניטרונים או מעט מדי ניטרונים יגרמו לגרעין להיות לא-יציב. קרינה רדיואקטיבית נחשבת קרינה מייננת, כלומר קרינה המסוגלת לשבור קשרים כימיים במולקולות. משום כך, מולקולת ה- DNA בתא החי עלולה להינזק ללא תקנה ולהוביל להתפתחות מחלת הסרטן.
רדיואקטיביות בטבע
אחד ממקורות הרדיואקטיביות הבולטים בטבע הוא הקרניים הקוסמיות. הן מגיעות מהכוכב הקרוב ביותר אלינו, השמש, וגם מעומק היקום, מפיצוצים עצומים של כוכבים. כדור הארץ שלנו מופגז כל הזמן בקרניים קוסמיות. למרבה המזל, כדור הארץ מוקף בשכבות של אטמוספירה הבולעות את רובן ומגינות עלינו מפני נזקיהן.
יש בסביבתנו כמה יסודות כבדים שהם רדיואקטיביים, למשל אורניום, תוריום ורדון. עם זאת, יש כמה יסודות נפוצים בעלי איזוטופים רדיואקטיביים. לדוגמה, אשלגן 40 הוא איזוטופ טבעי של אשלגן והוא מרכיב חשוב מאוד במזון שלנו. מדובר בכמויות קטנות מאוד של רדיואקטיביות שאינן מזיקות.
תקציר על שימוש ברדיואקטיביות לתועלת האדם
חדירה של קרני גמא לתוך החומר תלויה בהרכבו ובצפיפותו. דבר זה אִפשר לפתח טכניקות הדמיה אחדות המשמשות בתעשייה ובבריאות. יתרה מזו, כל התהליכים הרדיואקטיביים משמשים לטיפול בסרטן ומעורבים בפרוצדורות רפואיות מצילות חיים. בעזרת פרוטוקולים רפואיים מתוכננים היטב אפשר לכוון את הקרינה הרדיואקטיבית לגידול ולהרוג את התאים שבו.
שימוש מסקרן נוסף ברדיואקטיביות הוא סוללות 'כמעט אין-סופיות' להספקת חשמל. הסוללות מספקות חשמל לשתי הגשושיות בתוכנית וויאג'ר (Voyager) של נאס"א – וויאג'ר 1 וּווֹיאג'ר 2. שתי הגשושיות שוגרו ב-1977 והן עדיין פעילות ומתקשרות היום. הגשושיות כבר עזבו את מערכת השמש והן העצמים היחידים מעשה ידי אדם הנמצאים במרחק כה גדול מכדור הארץ.
גילוי הביקוע הגרעיני ותגובת השרשרת – יישום צבאי ואזרחי
בדצמבר 1938 הדגימו שני כימאים גרמנים, אוטו האן (Otto Hahn) ופריץ שטרסמן (Fritz Srassmann), תהליך של ביקוע גרעיני. בינואר 1939 הסבירו שני הפיזיקאים ליסה מייטנר (Lisa Meitner ממוצא אוסטרי-שוודי) ואחיינה אוטו פריש (Otto Frisch ממוצא אוסטרי-בריטי) את התהליך מבחינה תיאורטית: גרעין כבד בולע ניטרון ומתפצל לשני גרעינים קלים תוך פליטה של קרינת גמא ושל כמה ניטרונים. בתהליך זה המסה מומרת לאנרגיה קינטית ומתורגמת לחום.
בתגובת שרשרת של ביקוע גרעיני ניטרונים מתהליך ביקוע הגרעין (לדוגמה אורניום 235) נבלעים בתוך גרעינים אחרים, הגרעינים מתפצלים ונפלטים עוד ניטרונים. מכך, תהליך הביקוע ממשיך להתרחש. הפיזיקאי ההונגרי, ליאו סילארד (Leo Szilard), רשם פטנט ב-1936 על העיקרון התיאורטי של תגובת שרשרת. ואולם הוא נאלץ לחכות שנתיים נוספות עד לגילוי הביקוע הגרעיני. בשנת 1939 הצליחו שלושה פיזיקאים צרפתים, פרדריק ז'וליו-קירי (Frederic Joliot-Curie), ה. פון הלבן (H. Von Halban) ולב קוברסקי (Lew Kowarski), להראות פליטה של ניטרונים ורשמו פטנטים הנוגעים לאנרגיה גרעינית ולעקרון פעולה של פצצה גרעינית.
עד סוף 1942 יצר הפיזיקאי האמריקני אנריקו פרמי (Enrico Fermi, פליט איטלקי) תגובת שרשרת גרעינית מתמשכת בכור הגרעיני הראשון, שיקגו פייל 1 (Chicago Pile-1), באוניברסיטת שיקגו. התפתחויות אלו הובילו את סילארד לכתוב מכתב החתום על ידי אלברט איינשטיין לנשיא פרנקלין רוזוולט ולהזהיר אותו מהאפשרות שהמשטר הנאצי ישיג את הידע ואת הטכנולוגיה הדרושים לייצור פצצה גרעינית. המכתב הוביל בסופו של דבר לפרויקט מנהטן לפיתוח נשק גרעיני בארצות הברית. התוצאה המיידית של הפרויקט הייתה שתי הפצצות הגרעיניות שהוטלו על הירושימה ועל נגסאקי ושמו קץ למלחמת העולם השנייה.
ההבדל בין נשק גרעיני לתגובת שרשרת מתמשכת בכורים גרעיניים נעוץ בקצב הביקוע הגרעיני. בכורים גרעיניים הביקועים מבוקרים ונשמרים במצב של שיווי משקל, ואילו בשימוש צבאי קצב הביקוע הגרעיני גדל באופן אקספוננציאלי, אינו מבוקר ומהיר מאוד. תחנת הכוח הגרעינית הראשונה שייצרה חשמל וחוברה לרשת החשמל הוקמה ב-1954 בברית המועצות.
אחד היתרונות העיקריים של אנרגיה גרעינית הוא צפיפותה הרבה. נניח ששריפה מלאה של 1 ק"ג חומר מייצרת אנרגיית חום לפי המפורט להלן: פחם – kWh 8, דלק מינרלי – kWh 12, אורניום 235 – kWh 24,000,000. שימוש ב-1 ק"ג של אורניום טבעי בתחנת כוח של מים קלים יהיה שווה ערך לשריפת 10,000 ק"ג נפט או 14,000 ק"ג פחם ויפיק kWh 45,000 של חשמל (צריכה ממוצעת שנתית של כ-650 ישראלים). כור טיפוסי פועל עם אורניום המועשר יותר מפי חמישה מהאורניום הטבעי, ולכן יש להכפיל את הנתונים בהתאם.
בטיחות תחנות כח גרעיניות והיסטוריית תאונות
בטיחות תחנות כוח גרעיניות : בשגרה תעשיית הגרעין בכלל ותחנות הכוח הגרעיניות בפרט, מחויבות לתקנות הבטיחות התובעניות ביותר. התקנות מחייבות גיבויים, כלומר כמה מערכות בטיחות מאותו הסוג; מגוון של מערכות בטיחות המבוססות על טכנולוגיות שונות; והגנה לעומק בעלת כמה רבדים של שיטות הגנה – אם שכבת הגנה אחת כושלת, תספק השכבה האחרת את האמצעים הדרושים כדי למנוע תאונה. כמה מדרישות הבטיחות הן פסיביות ומבוססות על משובים שליליים שבהם הפעילות פוחתת באופן ספונטני כאשר הכוח עובר את הגבולות המותרים והבטוחים.
טיפול במחזור הדלק, בדלק המנוצל ובפסולת, מציב אתגרי בטיחות של ממש בשל הרדיואקטיביות שלהם, זמן מחצית החיים הארוך והרעילות שלהם. לאחר שריפה הנמשכת כ-4 שנים, הדלק מוחלף. דלק זה מכיל כ-95 אחוזים אורניום, 4 אחוזים שיירי ביקוע ואחוז פלוטוניום. הטיפול בדלק המנוצל נעשה בשני מסלולים. האחד הוא אחסון לטווח קצר או ארוך והטמנה של חלק קטן מהפסולת באדמה. השני הוא תהליך מִחזור שיספק רכיבי דלק חדשים ביעילות ובעלות סבירה.
סוגיית בטיחות נוספת קשורה למאמצים הבין-לאומיים להגביל את התפשטות הנשק הגרעיני ברחבי העולם. בנושא זה מטפלים באמצעים דיפלומטיים, ובהם תקנות נוקשות ושגרת בדיקה של הסוכנות הבין-לאומית לאנרגיה אטומית (סבא"א) כדי למנוע שימוש צבאי בתשתית של תחנת כוח גרעינית.
היסטוריית תאונות: שלוש תאונות גדולות התרחשו בהיסטוריה של תחנות כוח גרעיניות: אי שלושת המילין (TMI-2, ארצות הברית, 1979), צ'רנוביל (ברית המועצות, 1986) ופוּקוּשימה (יפן, 2011). בתאונה ב-TMI הותכה חלקית ליבת הכור כאשר נכשלה מערכת הקירור, ופסולת רדיואקטיבית התפשטה כגז לאוויר או ישירות לנהר. כמה סיבות הובילו לכך לפי ועדת המומחים שחשפה את התאונה, ובכללן כשלים טכניים וטעויות אנוש. לא התרחשו אירועי מוות הקשורים ישירות לתאונה, ויש ויכוחים שנויים במחלוקת בנוגע לסטטיסטיקה של מחלות סרטן בקרב האוכלוסייה האזרחית באזור. TMI-1 המשיך לפעול עד 2019, וכיום מייקרוסופט מעוניינת לקנות את הכור ולהפעיל אותו לצרכיה.
תאונת צ'רנוביל היא האירוע החמור ביותר בהיסטוריה של תחנות הכוח הגרעיניות. בתאונה זו כור-4 הותך והתפוצץ. פחות מ-100 מקרי מוות התרחשו ישירות מהנשורת הגרעינית. נשורת רדיואקטיבית התפשטה בכל רחבי אירופה, ומעריכים כי לפחות 9,000 בני אדם באוקראינה, בבלארוס וברוסיה נהרגו ממנה. העיר פריפיאט ננטשה והוגדר אזור של 2,600 קמ"ר שבו הרדיואקטיביות גבוהה. אזור זה פונה מתושבים ונמצא בשליטת הצבא. כיום, האזור המקיף את צ'רנוביל הוא אחד האזורים המזוהמים ביותר מבחינה רדיואקטיבית על פני כדור הארץ, והוא מעורר עניין מדעי בשל רמות הקרינה הגבוהות בסביבה.
התאונה התרחשה במהלך בדיקה בכור שנועדה לבדוק את יכולותיו בתנאי חירום. הסיבות העיקריות לתאונה היו בעיות חמורות בעיצוב הכור בדגם זה וטעויות אנוש.
תאונת פוקושימה התרחשה עקב רעידת האדמה החזקה ביותר שתועדה אי פעם ביפן. לאחר רעידת האדמה היכו גלי צונאמי ענקיים את החופים. מים הציפו את רשת החשמל, הרסו אותה וכן הרסו כמה גנרטורים לשעת חירום שפעלו על דיזל. בזמן הזה פעלו שלושה מתוך ששת הכורים וכל בריכות הקירור של הדלקים. בעקבות הרס רשת החשמל קרסו ליבות הכורים ובשל פליטת מימן הם התפוצצו. בריכות הקירור נפגעו קשות ופיזרו פסולת רדיואקטיבית לסביבה.
כ-1,200 קמ"ר פונו מתושבים וכנראה אדם אחד נהרג ישירות מהתאונה. עם זאת, נהרגו 50 בני אדם בזמן הפינוי הכאוטי של תושבי המקום. שימו לב להשפעה הפסיכולוגית העצומה של האסון: סך הכול נהרגו בצונאמי כ-20,000 בני אדם וכ-2,500 בני אדם נחשבים נעדרים, אך תאונת פוקושימה נותרה סמל לאסון.
הסיבה הבסיסית לאסון הייתה היעדר טווח בטיחות כדי להכיל אירוע צונאמי קיצוני שכזה. כיום, יפן מתמודדת עם סכסוכים בין-לאומיים עקב הטיפול בכ-1.5 מיליארד ליטר של מים מזוהמים המאוחסנים במפעל. הטיפול במים נועד כדי להפחית את הרדיואקטיביות שלהם ולהשיב אותם לים.
