כורים גרעינים דומים באופן הפעולה הבסיסי לכל תחנת חשמל אחרת. חומר דלק מייצר חום רב, המרתיח מים. המים הרותחים הופכים לקיטור המניע טורבינה, זו מייצרת חשמל. הבדל בין כור גרעיני לתחנת כח "שגרתית" (המונעת על ידי שריפת פחם או גז) הינו במקור האנרגיה לחימום המים. היתרונות שבהפעלת כור גרעיני על פני תחנות כח שגרתיות הינו עצום. כור זה דורש תדלוק רק פעם בשנים רבות, ואינו פולט חומרים מזהמים לסביבה. לעומת זאת קיים סיכון רב במקרה ויש תקלה בכור שכן אז הוא עלול ליצור זיהום רדיואקטיבי. בכתבה זו ננסה לסקור את התהליך הכללי בו מיוצר חשמל בכור גרעיני, ולהדגיש חלק מהסכנות הטמונות בו. לבסוף ננסה להבין מה התרחש בכורים הגרעינים של יפן, לאחר רעידת האדמה והצונאמי אשר פקדו את המדינה במהלך חודש מרץ 2011.

בכורים גרעינים, האנרגיה נובעת מתגובות ביקוע גרעיני של חומר פעיל, אורניום או פלוטונים (לשם פשטות מעתה נתייחס לאורניום אולם התיאור יהיה נכון עבור פלוטוניום גם כן). בתהליך ביקוע גרעיני נויטרון הפוגע באטום האורניום גורם לו להתבקע לשני יסודות אחרים, רדיואקטיביים. בנוסף נפלטים בתהליך זה נויטרונים נוספים ופוטונים. מאחר ומסת תוצרי ההתבקעות קטנה ממסת אטום האורניום המקורי, משתחררת אנרגיה רבה בתהליך. מספר נויטרונים משתחרר בכל ביקוע, וכל נויטרון שכזה יכול לפגוע באטום אורניום נוסף ולגרום לו להתבקע, ולכן התהליך יכול להתרחש בצורה מהירה מאוד, ולגרום לפליטה עצומה של אנרגיה בזמן קצר, תהליך שכזה מתרחש בפצצת אטום. בכורים גרעינים תהליך זה מווסת.
תמונה 1 - תיאור תהליך התבקעותו של אטום אורניום (נויטרונים מיוצגים על ידי עיגולי תכלת קטנים)


החומר הפעיל בכורים גרעיניים נשמר במוטות דלק. כאשר אטום אורניום מתבקע, כ-80 אחוז מהאנרגיה משתחררת באמצעות שני האטומים אשר נוצרים. אטומים אלו נשארים כלואים בתוך מוט הדלק. שאר האנרגיה משתחררת באמצעות פוטונים ונויטרונים. על מנת לשלוט בתהליך ניתן להכניס מוטות מחומר מיוחד הקולט נויטרונים בין מוטות האורניום. ככל שנכניס יותר מוטות שכאלו, יותרנויטרונים יבלעו, וקצב הביקוע ילך ויקטן. מוטות אלו מכונים מוטות שליטה.

האזור בו מתרחש תהליך זה נקרא ליבת הכור. מאחר ובאזור זה מתרחשים תהליכים גרעינים ונוצרים כל העת חומרים רדיואקטיביים, ליבת זו מבודדת מהסביבה החיצונית. היא מוקפת במספר שכבות הגנה שנועדו לחסום את הקרינה לחלוטין.

במהלך תהליך הביקוע זה נוצר חום רב. החום מסולק על ידי מערכת קירור מיוחדת, ואז משמש לשם הפקת חשמל. כורים מסוימים פועלים כך שהמים שעוברים דרך ליבת הכור הם אותם מים שהופכים לקיטור ומניעים טורבינה, כורים אחרים משתמשים במערכות שונות להובלת החום מהליבה למאגר מים חיצוני אשר הופך לקיטור, על מנת לשמור מים אלו נקיים מחומרים רדיואקטיביים. לא משנה מהי השיטה, במהלך פעילות הכור מוטות האורניום מקוררים כל העת על ידי מערכת קירור מתוחכמת.

בניגוד לתחנות כח אחרות, לא ניתן לכבות לחלוטין כור גרעיני. כאשר מוטות השליטה מוכנסים במלואם אל הליבה, תהליך הביקוע הגרעיני נפסק. אולם הספק החום הנוצר בליבה אינו יורד לאפס אלא לשבעה אחוז מההספק הרגיל. הסיבה לכך היא שבתוך מוטות הדלק קיים חומר רדיואקטיבי רב אשר נוצר במהלך פעילות הכור. חומרים אלו ממשיכים להתפרק ומייצרים קרינה מסוגים שונים. קרינה זו נעצרת לרוב בתוך מוטות הדלק וממשיכה לחמם אותם. קצב החימום הולך ופוחת עם הזמן, מאחר והחומרים הרדיואקטיביים מתפרקים עוד ועוד עד שהם מגיעים למצב יציב. אולם עד שהם מגיעים למצב זה, יש לדאוג לקירור של המוטות למרות שהכור אינו פעיל.

כאשר מערכות הקירור של כור גרעיני קורסות, יתכנו מספר תופעות הרסניות:
א) הפיכת מים לקיטור בתוך הליבה – אם במערכת הקירור היו מים אשר הוזרמו דרך הליבה, וכעת ההזרמה פוסקת. או אם מים מוזרמים אך לא מצליחים לקרר את הליבה בקצת מהיר מקצב יצירת החום בה, המים מתחמיים בליבה בקצב מהיר רותחים והופכים לקיטור. במקרה שכזה הלחץ בליבה יגדל. הדאגה העיקרית הינה תמיד לשמור על מעטפת הליבה בשלמותה, והלחץ האדיר שנוצר עלול לפגוע בה. פגיעה במעטפת משמועתה שחרור של חומרים רדיואקטיביים באופן בלתי נשלט לסביבה
ב) מוטות הדלק מצופים בחומר מגן. כאשר הטמפרטורה עולה ל1200 מעלות צלזיוס חומר זה מתחיל להתחמצן. בתהליך זה נפלט גז מימן. גז זה הינו נפיץ, ועלול לגרום לפיצוצים ולפגיעה במעטפת הליבה.
ג) התכה של מוטות הדלק – זהו המצב הקיצוני ביותר. כאשר המוטות מגיעים לטמפרטורת של מעל 2600 מעלות צלזיוס הן נמסים. במצב זה כמות החומרים הרדיואקטיביים הנפלטים מהם גדולה מאוד. בנוסף הנוזל הלוהט שנוצר יכול לפרוץ את תחתית מעטפת הליבה, וליצור זיהום סביבתי רב.

חשוב להדגיש כי הסכנות הינן בזיהום סביבתי רדיואקטיבי. לעיתים אנשים נוטים לחשוב שהסכנה האמיתית היא מפיצוץ גרעיני, אולם, כפי שהוסבר קודם לכן קצב הביקועים הגרעינים נשלט לחלוטים באמצעות מוטות השליטה, ואין חשש אמיתי מפיצוץ גרעיני.

כל זאת נגע לכור עצמו ומוטות הדלק הפעילים שבו, אך גם כאשר האורניום אוזל מהמוטות והם מוצאים מליבת הכור, יש להמשיך לדאוג לקירורם, עקב אותם תופעות רדיואקטיביות המתרחשות בהן. על כן מוטות אלו נשמרים לרוב בתוך מאגרי מים גדולים המקוררים כל העת, לרוב בקרבת הכור. גם פגיעה בקירור של מוטות אלו עשויה להביא לעליה בטמפרטורה שלהם, וכתוצאה מכך יצירת גז מימן בתהליך חמצון המעטפת שלהם, או במקרה קיצוני במיוחד להמסתם ושחרור חומרים רדיואקטיביים רבים.

כאשר חומרים רדיואקטיביים משתחררים לאוויר, רמת הקרינה באזור עולה, לעיתים למשך שנים מאחר וחלקם מתפרקים רק לאורך זמן רב. רמת החומרה של אירוע גרעיני שכזה נקבעת על ידי רמת הסטייה של הקרינה בסביבת הכור מהרמה המותרת על פי תקן אשר נקבע על ידי הועדה לאנרגיה אטומית. שבע רמות שונות הוגדרו, כאשר רמה 0 הינה מצב של שגרה ורמה 7 הינה מצב קיצוני (עד כה רק אסון צ'רנוביל הוגדר כתקלה ברמה 7). הסקלה מוגדרת כך שכל רמה הינה חמורה פי 10 מקודמתה.

מצוידים בידע זה הבה ננסה להבין מהן האירוע הגרעיני אשר התרחש ביפן במהלך חודש מרץ 2011. חשוב לציין כי בעת כתיבת כתבה זו, התמונה עדין אינה ברורה לחלוטין. כעת מוגדר אירוע זה כאירוע ברמה 3 או 4 בסולם החומרה, כלום תקרית חמורה אך בעלת השלכות מקומיות בלבד אולם טרם ברור כיצד אירוע זה יפתח.

בעת רעידת האדמה ביפן, הופסק הביקוע הגרעיני במתקני הגרעין שבמדינה באופן אוטומטי. זהו חלק ממערכות החירום של הכורים מערכת זו פעלה היטב. בעקבות רעידת האדמה נותק זרם החשמל למתקני גרעין שונים וביניהם מתקן פוקושימה המכיל מספר כורים גרעיניים זה לצד זה. במצב זה נכנסים לפעולה גנרטורי חרום. אלו מוגנים מאחורי חומה אשר אמורה לעצור גלי צונאמי , אולם הצונאמי שהכה ביפן היה עוצמתי בהרבה מהצפוי והוא הצליח לפגוע בגנראטורים ולהשביתם. מערכת גיבוי נוספת נכנסה לפעולה, ובטריות המשיכו לספק חשמל למערכות הקירור למשך שמונה שעות נוספות, אולם כאשר אלו נגמרו, הופסקה פעילות קירור הכור. והמוטות החלו להתחמם כפי שהוסבר לעיל.

עובדי הכור השקיעו מאמץ רב בניסיון לשמור את טמפרטורת המוטות נמוכה על מנת שלא יימסו, אולם קצב ייצור החום במוטות גבר על קצב הקירור. עם עלית הטמפרטורה בליבות הכור עלה הלחץ גם כן עקב היווצרות קיטור. המדענים החליטו לשחרר חלק מהקיטור על מנת למנוע פגיעה במעטפת הליבה. מאחר והקיטור בא במגע עם ליבת הכור הוא נושא עימו חומרים רדיואקטיביים המשוחררים לאוויר.

בנוסף גז מימן החל להיווצר עקב חמצון מעטפת המוטות. בתוך הליבה גז זה מעורבב בקיטור ולכן אינו מתפוצץ אולם עם שחרורו לאוויר החלו להופיע פיצוצים. פיצוצים אלו אשר שודרו בכל מהדורות החדשות, פגעו בבניינים המכילים את מעטפת הכור. טרם ידוע בוודאות האם פיצוצים אלו גרמו לפגיעה גם במעטפת עצמה, אולם ברור כי הפיצוצים מפזרים ביעילות את החומרים הרדיואקטיביים אשר הקיטור נושא עימו לאוויר לכן לאחר כל פיצוץ שכזה נרשמת עליה בקרינה.

בנוסף לבעיות בכורים עצמם החלו להופיע בעיות גם באתרי אחסון המוטות המשומשים ונראה כי גם שם מתחילה התחממות של המוטות. שתי השאלות הקשות והמרכזיות העומדות כרגע ללא תשובה הינן האם נפגעה המעטפת באחד מהכורים, והאם הומסו חלק מהמוטות. התשובה לשאלות אלו, ומידע בנוגע להתקדמות מאמצי קירור הכורים הם שיגידו לנו עד כמה חמור האסון הגרעיני שפקד את יפן.

לסיכום האירוע אשר מתרחש ביפן כתוצאה מרעידת האדמה שפקדה את המדינה במרץ 2011 מדגיש את הסכנות הטמונות באנרגיה גרעינית. עם זאת יש לזכור כי נכון להיום זוהי עדין הטכנולוגיה המובילה לשם הפקת אנרגיה ללא זיהום סביבתי (בשגרה). הכורים המוקרנים ערוכים להתמודד עם תופעות טבע עוצמתיות, אולם נראה כי הפעם, פגעה ביפן רעידת אדמה כה חזקה שכל אמצעי הגיבוי והחירום קרסו. עם זאת, חשוב להדגיש כי נכון לעתה נראה כי מעטפות הליבה של כל הכורים מחזיקות מעמד ומונעות מהאירוע להפוך לאירוע גרעיני חמור ביותר בעל השלכות על סביבה רחבה.


תמונה 2 - ליבה של כור גרעיני בשוויץ, ניתן לראות את מוטות הדלק השונים.

לעדכונים שוטפים אודות המתרחש בכורים היפנים, מתוך אתר הועדה הבינלאומית לאנרגיה אטומית (באנגלית בלבד), לחצו כאן

מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

9 תגובות

  • רותם תבורי

    מזעור הנזקים בכור הגרעיני

    שלום! שמי רותם תבורי, אני בכיתה ט'. עלינו להכין עבודת חקר בנושא מזעור הנזקים בכור הגרעיני. הגענו לשאלה חשובה זו ולא הצלחנו למצוא פתרונות. אשמח מאוד אם אחד המומחים יוכל לענות ואפילו לתת לי כמה דוגמאות ותשובות. תודה רבה!

  • מנחם

    אורניום מועשר ומדולדל

    מה ההבדל בין אורניום מועשר לאורניום מדולדל? אם אורניום מדולדל מופיע בטבע או שנעשה באופן מלאכותי כמו אורניום מועשר?

  • ירון גרוס

    אורניום מדולל ומעושר - מה ההבדל?

    אורניום מופיע בטבע במספר איזוטופים (כלומר אותו יסוד, אותו מספר פרוטונים אך מספר נויטרונים שונה). האיזוטופ הנפוץ ביותר הינו אורניום 238 (כלומר המאסה האטומית שלו - הינה 238). לאיזוטופ זה זמן מחצית חיים ארוך מאוד - מילארדי שנים והוא אינו יכול לשמש להפקת אנרגיה או לשימוש כנשק. אחוז קטן מאוד מהאורניום בטבע כ-0.7 אחוזים הינו האיזוטופ אורניום 235. איזוטופ זה משמש הן להפקת אנרגיה גרעינית והן בשימוש לנשק גרעיני (כפי שהוסבר בכתבה). תהליך ההעשרה של אורניום הינו תהליך בו מועלה אחוז האורניום 235 לעומת אורניום 238. ישנן מספר דרכים לעשות זאת הידועה ביותר היא באמצעות צנטריפוגות. כלומר בתהליך זה למעשה נלקחת כמות גדולה מאוד של אורניום, ובאמצעות צנטריפוגות מופרד האורניום 235 מה238 (מאחר ויש להם מאסה שונה) כך אפשר לאסוף יותר ויותר אורניום 235. רמת ההעשרה קובעת האם ניתן להשתמש בחומר להפקת אנרגיה בלבד או גם לשימוש בנשק גרעיני

    ההעשרה עם כן היא מלאכותית, אולם לא מתצבע שינוי מלאכותי בחומר אלא פשוט מופרדים שני האיזוטופים זה מזה.
    זהו התהליך הנפוץ ביותר. ישנם תהליכים נדירים בהם יוצרים איזוטופים של אורניום שאינם קיימים באופן טבעי אולם אלו תהליכים נדירים מאוד. לרוב בהעשרה הכוונה להעלאת אחוז האורניום 235 כפי שהסברתי.

    מקווה שההסבר מובן

  • מנחם

    תגובת שרשרת בכור גרעיני

    רצוני לדעת פרט ספציפי מה יגרום לניטרון ראשון לפגוע בפעם ראשונה בגרעין אורניום 235

    ולגרום אחרי כך לתגובת שרשרת שנמשכת בלי סוף בליבה בכור גרעיני בצורה מבוקרת על ידי מים כבדים?

    ועכשיו לשאלה שנייה אם תגובת שרשרת תמשך בלי סוף או שיש לזה סוף לאחר שכל גרעיני אורניום 235 יהפכו ליסודות אחרים

    בעקבות הביקוע?

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    לגבי השאלה הראשונה - מה יגרום לנויטרון הראשון להתחיל את שרשרת הביקוע. באופן מענין אין צורך בזרז חיצוני כלשהו לשם התחלת תגובת השרשרת. מאחר והחומר במוטות הינו רדיואקטיבי מתקימות בו התפרקויות ספונטניות אשר יוצרות נויטרונים חופשיים אשר יכולים להתחיל את התגובה. השאלה היא כמה נויטרונים חופשיים קיימים. לכן על מנת להתחיל את התגובה אנו זקוקים למאסה קריטית - כמות מספקת של אוראניום/פלוטוניום במוטות הדלק. המאסה הקריטית תלויה לא רק בחומר אלא גם בקונפיגורציה הגאומטרית בה מסודרים מוטות הדלק.

    תהליך הפעלתו של הכור הינה אם כך - תחילה מסודרים מוטות הדלק במערך הגיאומטרי המבוקש, כאשר מוטות הבקרה, אותם מוטות הסופגים את הנויטרונים נמצאים במקומם. לכן בשלב זה אין תגובה גרעינית. בשלב זה על מנת להפעיל את הכור כל מה שיש לעשות הוא להתחיל להוציא אט אט את מוטות הבקרה. ככל שמוטות הבקרה מוצאים החוצה, יותר ויותר נויטרונים אשר נוצרים באופן ספונטאני בכור חופשיים להשתתף בתהליך הביקוע ולבסוף מגיע רגע קריטי בו מוטות הבקרה אינם סופגים עוד מספיק נוטרונים כדי למנוע את שרשרת הביקוע והיא מתחילה באופן ספונטאני (כמובן שמוטות הבקרה עדין חשובים כי הם שומרים על כך שהתהליך יתבצע באופן איטי, ולא בתגובה בלתי נשלטת כמו בפצצת אטום)

    לגבי השאלה השניה - כן קיים שלב בו הדלק אוזל במוטות הדלק אוזל. בתהליך הביקוע אטומי האורניום מתפצלים לכן עם חלוף הזמן כמות האורניום במוטות הדלק קטנה. פעם במספר שנים מגיע הכמות לרמה כה נמוכה שתגובת השרשרת מפסיקה. כלומר הדלק נגמר ויש להחליף את מוטות הדלק. כפי שצויין בכתבה, גם לאחר שמוטות הדלק מוצאים מליבת הכור הם עדין רדיואקטיבים ומייצרים חום באופן ספונטני ועל כן הם נשמרים במיכלי קירור מיוחדים המונעים את התכתם וכן בולמים קרינה. מתקנים אלו היו בין המתקנים שנגפעו בפוקישימה

  • מנחם

    דלק גרעיני הכור

    תודה רבה לך על תשובה !!! אם תוכל להעריך כל כמה זמן מחליפים מוטות הדלק חדשים בליבת הכור לאחר שהדלק גרעיני אזל בעקבות ביקוע גרעיני,

  • עידו קמינסקי

    משך חיים של מוט דלק

    הזמן המדויק שונה מכור לכור עקב ההבדל המבני ביניהם (גודל מוטות הדלק והסידור הגיאומטרי שלהם) וגם עקב ניצולת שונה של כורים שונים. הזמן הממוצע נע בין 3 ל 6 שנים.

  • אלחנן

    החלפת מוטות דלק

    שלום רב

    רציתי לדעת האם בתחנת כוח גרעינית, החלפת מוטות הדלק המשומשים במוטות חדשים יכול להיעשות מבלי להפסיק את פעולת התחנה? נראה לי שלא, ואם כך כמה זמן אורך תהליך זה.

    בתודה מראש

    אלחנן

  • עידו קמינסקי

    כורים גרעיניים, חידוש דלק

    התשובה לכך תלויה כבר בכור עצמו, עד כמה הוא חדיש וכו'.

    בכורים החדישים הקיימים היום אין צורך בהפסקה מוחלטת של פעילות הכור לשם החלפת מוטות דלק. בכל החלפה לא מוחלפים כל מוטות הדלק. לדוגמה אם יש בכור 6 מוטות הם מחולקים לשלושה זוגות וכל פעם מוחלף זוג מוטות בזוג חדש. כתוצאה מכך צריך להחליף את המוטות בתכיפות גבוהה יותר פי שלושה אולם אין צורך להשבית את הכור בעת ההחלפה (לרוב ההחלפה במקרה כזה מתבצעת כל שנתיים - שלוש שנים)