כור גרעיני

כור גרעיני ליצור חשמל

חדר בקרה של הכור פולסטאר בצפון קרוליינה ארצות הברית

כור גרעיני הוא מתקן שבו מתחוללת תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת. הואיל ואין בנמצא כרגע טכנולוגיה המאפשרת תהליך מבוקר של היתוך גרעיני, מתייחס כיום המושג "כור גרעיני" רק למתקנים שמתרחש בהם ביקוע גרעיני. השימוש השכיח בכורים גרעיניים הוא להפקת חום לצורך הנעת תחנות כוח המשמשות לייצור חשמל. תהליכים גרעיניים מייצרים אנרגיה רבה מאוד ביחס למסת הדלק שהם צורכים, בהשוואה לתהליכים כימיים כדוגמת בעירה המתרחשים בתחנות כוח המונעות באמצעות דלק מאובנים.

היסטוריה

הכור הגרעיני הראשון, שנבנה בשדה סטאג, בשיקגו

בסוף 1938 הבהירה ליזה מייטנר את תהליך הביקוע: היבלעות נייטרון בגרעינו של יסוד רדיואקטיבי כבד גורמת להתפצלות הגרעין לשני גרעינים קטנים יותר, תוך שחרור אנרגיה, לפי נוסחת איינשטיין E=mc²; חלק זעיר מהמסה של הגרעין הופך לאנרגיה, הנפלטת בדמות חלקיקי יסוד שונים. בתוך זמן קצר הבין הפיזיקאי לאו סילארד (Szilard) כי אם מוצרי הביקוע כוללים נייטרונים, אלה עשויים לפגוע בגרעינים אחרים ולהביא לביקועם, וחוזר חלילה: הוא תיאר את "תגובת השרשרת". כך נפתחה הדרך שהוליכה לבנייתה של הפצצה הגרעינית הראשונה, ולבנייתו של הכור הגרעיני הראשון. כבר ב-1942 בנה אנריקו פרמי במסגרת פרויקט מנהטן את הכור הגרעיני הראשון שישמש למטרת מחקר. הכור הוקם במעבדה המטלורגית של אוניברסיטת שיקגו, והתבסס - ככל הכורים שנבנו אחריו - על תגובת שרשרת. הכור הגרעיני הראשון בהיקף ייצור מלא נבנה ב-1944 באתר הנפורד במדינת וושינגטון שבארצות הברית, גם הוא כחלק מהמאמץ האמריקאי בפרויקט מנהטן. הכור שימש ליצור פלוטוניום עבור פצצת האטום "איש שמן" שהוטלה על העיר נגסאקי על ידי ארצות הברית במלחמת העולם השנייה.

מרכיבי כור גרעיני

ליבת הכור

ערך מורחב – ליבת כור גרעיני

ליבת כור גרעיני קטן בשווייץ המשמש למחקר

ליבת הכור היא אזור שבו מתרחש הביקוע הגרעיני. בתוך הליבה מסודר הדלק הגרעיני, בדרך כלל בצורת מוטות באופן כזה שנוצר תהליך ביקוע מבוקר הנמשך זמן רב ושניתן לשלוט על עוצמתו. בנוסף למוטות הדלק נמצאים בליבה מוטות בקרה העשויים מחומר המסוגל לבלוע נייטרונים וכך להאט את תגובת השרשרת. מידת החדירה של מוטות הבקרה לחללים שבין מוטות הדלק קובעת את הספק הכור. הכנסה מלאה עוצרת את תגובת השרשרת ומכונה "כיבוי" או "הדממה" (Shutdown) של הכור. דוגמה לחומרים בולעי נייטרונים הם בור וקדמיום.

כאשר הכור מתחיל לפעול בפעם הראשונה או חוזר לפעול לאחר הדממה ארוכה הוא זקוק למקור נייטרונים אשר מוחדר לתוך הליבה כדי לאתחל את תגובת השרשרת (Startup). כאשר תגובת השרשרת מתייצבת והופכת להיות רציפה הכור מוגדר להיות במצב קריטי.

ליבת הכור מוגנת על ידי שכבת עופרת ושכבת בטון עבה, לעיתים עד עובי של מטר, על מנת להבטיח שהליבה לא תיפגע באסונות טבע או התקפות. פגיעה באטימות הליבה תגרום לחשיפה של חומרי הדלק לאוויר ולפיזור של חומרים רדיואקטיביים לסביבה.

נוזל הקירור

האנרגיה הרבה הנוצרת בתהליך הביקוע מועברת אל מחוץ לליבה באמצעות נוזל קירור שסוגו משתנה על פי סוג הכור הגרעיני. נוזל הקירור משמש לקירור ליבת הכור ולהסעת החום הנוצר אל מחוץ לליבה, בנוסף משמש נוזל הקירור גם להאטת הנייטרונים על מנת לייעל את התהליך הגרעיני. נוזל הקירור הפשוט והזול ביותר הוא מים, אך לעיתים קרובות משתמשים בכורים גרעיניים במים כבדים שבהם מחליף איזוטופ המימן דאוטריום את מקומו של המימן הרגיל. מים כבדים מאטים את הנייטרונים ומגדילים את יעילות התגובה הגרעינית בליבה. השימוש במים כבדים מגביר את יעילות הכור מכיוון שהמים הכבדים בולעים פחות נייטרונים מאשר מים רגילים.

נוזל הקירור הזורם במעגל סגור בתוך הליבה רדיואקטיבי ביותר. קיימים מנגנוני הגנה רבים על מנת למנוע מנוזל הקירור לצאת מהליבה. דליפה של נוזל קירור מהמחזור הרדיואקטיבי מכונה דליפה גרעינית. מחסור בנוזל קירור יכול לגרום לעלייה מהירה של טמפרטורת הליבה עד כדי התכתה.

מערכות שחלוף חום

בכור גרעיני קיימות בדרך כלל שתי מערכות שחלוף חום:

1. המערכת הראשונה לשחלוף החום אופיינית לכורים גרעיניים בלבד. נוזל הקירור הבא במגע ישיר עם הדלק הגרעיני בליבת הכור הוא רדיואקטיבי ביותר ולא ניתן להשתמש בו מחוץ לליבה, ועל כן הוא אינו משמש להנעת הטורבינות באופן ישיר ואינו מוצא מחוץ לכור. החום מועבר בין נוזל הקירור הרדיואקטיבי לנוזל אחר (בדרך כלל מים רגילים), ללא מגע בין הנוזלים עצמם. משחלפי החום מורכבים ממערכת צינורות דקים שבהם זורם נוזל הקירור הרדיואקטיבי, מסביב לצינורות אלו זורמים מים נקיים ההופכים לקיטור עקב החום. הקיטור שנוצר משמש להנעת טורבינות של תחנות כוח ולייצור חשמל, בעוד המים הרדיואקטיבים שהתקררו חוזרים אל הליבה לחימום מחדש.
2. השלב השני בשחלוף החום אינו ייחודי לכור גרעיני; הוא דרוש בכל מנוע חום. על פי העיקרון המיושם במנוע קרנו, העומד בבסיס החוק השני של התרמודינמיקה, יעילותו של מנוע חום (המוגדרת כשיעור אנרגיית החום שהפכה לעבודה מכנית) היא (לכל היותר) כמידת הפרש הטמפרטורות ליחידת מסה בין הזורם החם (המניע את הטורבינות) לבין הזורם הקר (הנקי, שחוזר לדוד הקיטור). על כן, דרוש הפרש טמפרטורות מינימלי בין שני הזורמים - אחרת המנוע ייעצר; אולם רצוי גם שהפרש זה יהיה גבוה, כדי להגדיל את יעילות המערכת. שחלוף החום בשלב השני מתבצע במעבה , המעביר את חום הגז הנפלט בלחץ נמוך מהטורבינה, אל נוזל קירור שלישי. הגז מתעבה למים, החוזרים אל הדוד לצורך חימום מחדש לקיטור; ואילו נוזל הקירור שקלט את החום, נשאב אל מחוץ לכור ונפלט אל הסביבה.

בשל הצורך בכמות רבה של מים זמינים, בנויות תחנות כוח גרעיניות פעמים רבות סמוך לחוף ים.

הדלק הגרעיני

הדלק הגרעיני מיוצר בדרך כלל מהיסוד אורניום, ולעיתים מפלוטוניום או יסודות כבדים יותר. איזוטופ האורניום המשמש לתגובת שרשרת בדלק גרעיני הוא האיזוטופ אורניום-235 היותר נדיר והפחות יציב מאורניום-238. בכורים גרעיניים מסוג קנדו מתוצרת החברה לאנרגיה אטומית של קנדה משתמשים באורניום טבעי. זאת לעומת בכורים מתוצרת ארצות הברית ואחרים, משתמשים באורניום שהועשר לפני הכנסתו לכור. היסוד פלוטוניום לא קיים בטבע והוא תוצר של כורים גרעיניים מיוחדים מסוג "כור דוגר" המשמשים בעיקר ליצור פלוטוניום מאורניום ולא לצורך ייצור אנרגיה. תוצרי הפסולת של הדלק הגרעיני הם יסודות כבדים (אורניום, פלוטוניום, עופרת) מזוהמים ביותר בקרינה רדיואקטיבית. תוצרי פסולת אלו רעילים מאוד.

הצורה בה מכניסים את הדלק לכור היא בצורת מוטות גדולים, בצורה זו החום הנוצר בתוך המוטות עובר בצורה מרבית לנוזל הקירור. כאשר מוציאים את הדלק הגרעיני מהכור מוטות הדלק קורנים בצבע כחול מתכתי, קרינה זו נקראת קרינת צ'רנקוב.

כור גרעיני כמקור אנרגיה

יתרונות

• ניצולת גבוהה של הדלק הגרעיני: מספר קטן של טונות דלק גרעיני מספיקים לתדלק כור למשך שנים. ניצולת טובה זו נובעת מהעובדה שתהליכים גרעיניים מניבים הרבה יותר אנרגיה לכל תגובה בודדת מאשר תהליכים כימיים.
• הכור אינו מזהם את הסביבה, לא פולט חומרים לאטמוספירה.
• כורים גרעיניים הם בין המתקנים הבטוחים ביותר שיוצרו על ידי האדם. דאגה זו לבטיחות נובעת מהתוצאות הרות האסון שעלולות לנבוע מתקלה בכור. דוגמה למנגנון בטיחות הוא מנגנון תליית הווסת בליבה - הווסת מוחזק תלוי באוויר על ידי אלקטרומגנט כך שבעת תקלה באספקת המתח הווסת ייפול לתוך הליבה ויפסיק את תגובת השרשרת בכור.
• יתר על כן, הפקת יחידת אנרגיה בצורה של אנרגיה גרעינית הורגת פחות אנשים מרוב השיטות האחרות, כולל כאלו שנחשבות "ירוקות" (כגון אנרגיית שמש או רוח).
• בחישוב לאורך זמן, חשמל שיוצר בתחנת כוח גרעינית זול יותר מחשמל שיוצר בתחנת כוח המונעת בנפט או בגז.

חסרונות

• החיסרון העיקרי בשימוש בכור גרעיני למטרת הפקת אנרגיה הם תוצרי הביקוע: מגוון גדול של איזוטופים רדיואקטיביים ביותר, עם מגוון גדול של זמני מחצית חיים, מחלקי שניות ועד מיליוני שנים, בעלי מגוון גדול של תכונות כימיות ופיזיקליות. הטיפול בתוצרי הביקוע מסובך, קשה ויקר. כיום קוברים את חומרי הביקוע באזורים יציבים גאוגרפית, באדמה נייטרלית (כגון מכרות מלח נטושים ועמוקים).
• תקלה בכור גרעיני עלולה להסתיים באסון בקנה מידה לאומי, כמו אסון צ'רנוביל בו הותכה ליבת הכור וזיהמה אזור ענק בתוצרי ביקוע רדיואקטיביים, וכמו הדליפה הגרעינית בעקבות רעידת האדמה והצונמי בסנדאי (2011) וזאת בניגוד לתקלה בתחנות כוח קונבנציונליות.
• האפשרות להשתמש בתוצרי הביקוע על מנת ליצור פצצה גרעינית. בכורים המבוססים על אורניום, האורניום 238 הופך לפלוטוניום, ולכן אפשר להשתמש בכורים שנועדו להפקת אנרגיה כדי לייצור פלוטוניום, שגם ממנו כדוגמת האורניום, אפשר לייצר פצצה גרעינית. מאידך גיסא קיימים כורים גרעיניים שפועלים על פלוטוניום שרוכז מתוך פסולת של כורים גרעיניים המתודלקים באורניום.

תקלות בכורים גרעיניים

שני מקרי האסון הידועים ביותר שנגרמו כתוצאה מתקלה בכור גרעיני הם אסון צ'רנוביל (1986) והאסון הגרעיני בפוקושימה (2011).

התקלות הנפוצות בכור גרעיני הן:

• דליפה - חומרים רדיואקטיביים יכולים לדלוף מליבת הכור ולזהם את סביבת הכור. בדרך כלל פליטת החומרים מבוקרת.
• התכה - עקב תקלה במערכת הקירור של הליבה עלולה טמפרטורת הליבה לעלות עד להתכת המבנה של הליבה והמבנה המגן עליה. התכה כזו תגרום לחשיפת פנים הליבה לאוויר וכתוצאה מכך לזיהום רדיואקטיבי קשה ביותר.
• פיצוץ - כור גרעיני לא גורם לפיצוץ גרעיני, אולם בכור קיימים נוזלים בלחץ וקיטור, העלולים לדלוף. אם יש דליפה מצנרת הקירור, נוזל הקירור רדיואקטיבי במיוחד בשל סמיכותו למוטות הדלק בליבת הכור, והשלכות דליפת נוזל הקירור מבחינת הקרינה הרדיואקטיבית הן ארוכות טווח.

שימושי כורים גרעיניים

• מקור קיטור לתחנת כוח חשמלית.
• כור מחקרי - חלק מהמחקר הבסיסי מצריך כור גרעיני פעיל. כור מחקר יכול להיות לא יותר מבריכה מלאה מים כבדים ובה מספר קטן של מוטות דלק. דוגמה לכור מסוג זה ניתן למצוא בכור הגרעיני בנחל שורק.
• כור הנעה - בנושאות מטוסים ובצוללות הכור מחליף את הדלק הכימי כמקור האנרגיה. לשימוש בכור יש יתרונות מובהקים בצוללות שכן הכור אינו צורך חמצן בניגוד לכל המנועים השורפים דלק כימי ובכך מאפשר לצוללת לשהות מתחת למים פרק זמן ארוך יותר.
• כור לייצור חומרים - כורים גרעיניים מיוחדים מסוגלים לייצר חומרים כבדים שאינם מצויים בטבע, בדרך כלל לצורך שימוש בנשק גרעיני. קיים ביקוש גם לחומרים מיוחדים ברפואה (למשל יוד רדיואקטיבי לצורך הדמיה או יסודות כבדים לשימוש בהקרנות).

מזעור כורים גרעיניים

היות שלכורים הגרעיניים קיימים שימושים רבים, סוגיית מזעורם הפכה עם השנים לנושא מחקר מרכזי. הקפיצה הטכנולוגית הראשונה בתחום מזעור הכורים נועדה להתאים את ממדי הכור להפעלה בצוללות ובנושאות מטוסים, אולם על אף ההישגים המשמעותיים אליהם הגיעו החוקרים, סוגיית הבטיחות העלתה חששות רבים בנוגע לשימוש בכורים בקרבת מרכזים מאוכלסים. אסון צ'רנוביל, שאירע ב-1986, היה נקודת מפנה שלילית, ובעקבותיו זנחו מרבית מדינות העולם את תוכניותיהן לייצור חשמל באמצעות כורים גרעיניים.

אולם ברבות השנים עלות ייצור החשמל הלכה ותפחה, והחזירה את סוגיית השימוש בכורים לייצור חשמל אזרחי לסדר היום הציבורי. בשנת 2008 הכריזה חברה אמריקאית שהצליחה לפתח כור גרעיני ממוזער העומד בכל דרישות הבטיחות ואפשר להפעילו אפילו בשכונות מגורים. העלייה בבטיחות הכור נובעת בעיקר משימוש בחלקים נייחים בלבד המפחיתים משמעותית את הסיכוי לתקלה טכנית בכור. ארצות הברית ומספר מדינות נוספות הביעו התעניינות בכור מסוג זה.

כור מודולרי קטן

כור מודולרי קטן (Small modular reactors) הוא כור קטן בהשוואה לכור הגרעיני הרגיל. הוא אמנם יפיק פחות אנרגיה, אך כיוון שניתן לשרשר כמה כורים כאלו, ניתן להפיק מהם בסופו של דבר את כמות האנרגיה הנדרשת.

יתרונותיו:

• מנגנון בטיחות אוטונומי לכל יחידת כור בנפרד
• אזור בטיחות קטן יותר
• הוזלה של המבנה, כיוון שלא צריך לבנותו להספק מלא מהתחלה, ואפשר להוסיף יחידות כור לפי דרישה
• ייעול הטיפול בפסולת הגרעינית.

בישראל

ערך מורחב – תוכנית הגרעין של ישראל

בישראל קיימים שני כורים גרעיניים: הראשון, שהוקם ב-1958, הוא כור מחקר קטן בהספק של כחמישה מגה-וואט. הכור תוכנן על ידי האדריכל פיליפ ג'ונסון ונמצא במרכז למחקר גרעיני בשפך נחל שורק. השני הוקם ב-1959, ונמצא בקריה למחקר גרעיני שבאזור דימונה. גם כור זה משמש למחקר, אם-כי על פי פרסומים שלא אושרו רשמית בישראל, הוא משמש גם להפקת חומר גלם לייצור נשק גרעיני. שני כורים אלו הם מהוותיקים בעולם שעדיין פעילים. שני הכורים מופעלים על ידי הוועדה לאנרגיה אטומית. אין בישראל כורים המשמשים להפקת אנרגיה למטרות אזרחיות וזאת על אף תוכניות רבות בתחום האנרגיה הגרעינית שנזנחו בזו אחר זו.

ראו גם

• דליפה גרעינית
• רדיואקטיביות
• אנרגיה חלופית
• כור גרעיני טבעי

קישורים חיצוניים

• אתר הוועדה לאנרגיה אטומית (אורכב 08.02.2005 בארכיון Wayback Machine)
• ארז גרטי, איך פועלת תחנת כוח גרעינית?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 24 ביוני 2011
• ליאור פרידמן, פיצוח האטום ביותר מדינות קוראים לשימוש באנרגיה גרעינית להפקת חשמל, באתר הארץ, 31 ביולי 2009
• כור גרעיני, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• כורים גרעיניים, דף שער בספרייה הלאומית