מה "עשיר" באורניום
מועשר?

מאז תחילת העידן הגרעיני, המושג המדעי "העשרת אורניום" מהלך אימים על האנושות. כלי התקשורת והפוליטיקאים מרבים לעסוק בו, לאחרונה בעיקר בהקשר האיראני, בהיותו שלב חיוני בדרך להרכבת פצצות גרעיניות. אולם למה אורניום זקוק בכלל להעשרה, באיזה עושר מדובר ואיך זה קשור ליכולת שלנו לנצל את האנרגיה העצומה האצורה בגרעין האטום?

ביקוע אורניום

אורניום הוא יסוד מתכתי כבד ורדיואקטיבי, הממוקם בתחתית הטבלה המחזורית – מספרו הוא 92, כלומר יש בגרעינו 92 פרוטונים, והוא היסוד האחרון בטבלה שקיים בטבע בכמויות גדולות. הוא גם אינו נדיר במיוחד בכדור הארץ, והעתודות שלו צפויות להיות זמינות לשימושנו לעוד שנים רבות, במיוחד אם נלמד להפיק אותו ממי הים.

כשאורניום מתפרק רדיואקטיבית, כלומר פולט ספונטנית חלקיקים או קרינה אלקטרומגנטית כתוצאה מהתפרקות הגרעין שלו, הוא משחרר כמות גדולה של אנרגיה, אולם בכך הוא לא שונה מחומרים רדיואקטיביים אחרים. הייחוד שלו הוא בכך שבתנאים מסוימים הוא יכול לקיים תהליך אחר, שאינו קשור לרדיואקטיביות שלו, הנקרא ביקוע גרעיני. חומר שמסוגל לעבור ביקוע גרעיני מכונה חומר בקיע, והחומר הבקיע הנפוץ ביותר פרט לאורניום הוא היסוד פלוטוניום (מספר אטומי 94), שאינו קיים כמעט בטבע ומיוצר ברובו באופן מלאכותי בכורים גרעיניים.

תהליך הביקוע מתרחש בגרעין האטום, המורכב משני סוגי חלקיקים: פרוטונים, שמטענם החשמלי חיובי, ונייטרונים נטולי מטען. מספר הפרוטונים קובע באיזה יסוד מדובר ומכתיב את רוב תכונותיו. השאלה האם חומר הוא בקיע או לא אינה תכונה של היסוד עצמו, אלא של איזוטופים ספציפיים שלו – גרעינים שונים המכילים מספר זהה של פרוטונים, ולכן שייכים לאותו יסוד, אך מספר הנייטרונים שלהם שונה. לאיזוטופים של אותו יסוד יש תכונות כימיות כמעט זהות, אבל התכונות הגרעיניות שלהם, כמו רדיואקטיביות, יכולות להיות שונות מאוד.

לדוגמה, לכל אטומי הפחמן יש שישה פרוטונים ולרובם יש גם שישה נייטרונים, ולכן הם נקראים פחמן-12. עם זאת, יש גם איזוטופים שיש להם שבעה נייטרונים (פחמן-13) או שמונה (פחמן-14), והרדיואקטיביות של פחמן-14 מאפשרת להשתמש בו לתארוך שרידים קדומים של חומר אורגני על פי קצב ההתפרקות שלו.

היסוד האחרון בטבלה שקיים בטבע בכמויות גדולות, וחשוב מכך - בקיע. דיסק עשוי אורניום מועשר מתכתי | US Department of Energy

כשנייטרון חופשי פוגע בגרעין של חומר בקיע, יש סיכוי די גבוה שהגרעין יתפצל לשני חלקים לא שווים, ובנוסף יפלוט נייטרונים נוספים – בדרך כלל בין שניים לשלושה. התהליך הזה נקרא ביקוע גרעיני, ובמהלכו משתחררת כמות עצומה של אנרגיה, גדולה בהרבה מתגובות כימיות כמו שריפה. הסיבה לכך היא שהכוחות הפועלים בתוך גרעין האטום חזקים בהרבה מאלו שפועלים בקשרים הכימיים שבין אטומים.

בנוסף, הנייטרונים הנוספים שמשתחררים במהלך הביקוע של גרעין אורניום בודד עשויים לפגוע בגרעיני אורניום שכנים ולבקע גם אותם, וכך התהליך נמשך, במעין שרשרת שמזינה את עצמה – לכן התהליך הזה מכונה תגובת שרשרת. תגובת השרשרת יכולה להתגבר במהירות רבה, עד למספר עצום של ביקועים תוך פחות ממיליונית השנייה, כפי שקורה בפיצוץ גרעיני. אפשר גם לגרום לה להתרחש בצורה מבוקרת ובעוצמה קבועה יחסית, כפי שנעשה בכורים גרעיניים, שבדרך כלל משתמשים באנרגיה הנפלטת במהלך הביקוע כדי להפיק חום ולנצל אותו להפקת חשמל.

תהליך בו משתחררת כמות עצומה של אנרגיה: ביקוע גרעיני של גרעין אורניום-235. הנייטרון (כדור אדום) פוגע בגרעין האורניום וזה מתפרק לשניים, ופולט שלושה נייטרונים | Shutterstock, adison pangchai

העשרת אורניום: להתרכז בעיקר

בדרך לניצול האנרגיה הרבה הטמונה בגרעין האורניום מחכה מכשול משמעותי. האורניום בטבע מורכב משני איזוטופים עיקריים: רובו הגדול – 99.3 אחוז – הוא האיזוטופ אורניום-238, שאינו בקיע ואינו יכול לקיים תגובת שרשרת גרעינית בשום תנאי. היתרה, שבע אלפיות בלבד מכלל האורניום בטבע, היא האיזוטופ אורניום-235, שהוא החומר הבקיע הטבעי היחיד.

הריכוז הזה נמוך מדי ליצירת תגובת שרשרת משמעותית, פרט למעט מאוד דגמי כורים שהותאמו לכך במיוחד. כדי לאפשר תגובת שרשרת ביתר קלות יש להעשיר את האורניום – כלומר להגדיל את ריכוז האיזוטופ אורניום-235 בעפרת האורניום. מכאן עולות שתי שאלות מרכזיות: לאיזו מידת העשרה עלינו להגיע ואיך עושים את זה?

התשובה לשאלה הראשונה תלויה בשימוש שאנחנו רוצים לעשות באורניום ובסוג תגובת השרשרת שאנו מחפשים. בכורים גרעיניים להפקת חשמל מספיקה בדרך כלל העשרה לריכוז נמוך של 5-3 אחוזים, וכאמור יש אפילו כורים שמסוגלים לעבוד עם אורניום טבעי שאינו מועשר. יש גם כורים, למשל כורים מהירים, שדורשים העשרה גבוהה יותר, אך בדרך כלל לא מעבר ל-20 אחוז. יוצאי דופן הם הכורים הזעירים, כגון אלה שמניעים צוללות או ספינות גדולות כמו נושאות מטוסים, שבהם משתמשים באורניום שהועשר לרמה הרבה יותר גבוהה, לעתים אף מעל 90 אחוז, כיוון שרמת העשרה גבוהה מאפשרת לבנות כור קטן יותר בממדיו.

שימושים שונים דורשים אורניום בריכוז איזוטופים שונה. כור גרעיני ניסיוני זעיר שהיה בשימוש ב"פרויקט מנהטן" לפיתוח הפצצה הגרעינית במלחמת העולם השנייה | Los Alamos National Laboratory

פצצות גרעיניות דורשות רמת העשרה גבוהה למדי: אורניום מועשר ל-20 אחוז או יותר נחשב כבר לנשק, אם כי בניית פצצה מאורניום ברמת העשרה כזאת אינה מעשית ותדרוש מאות קילוגרמים של אורניום לפחות.

לפיכך, את האורניום שנועד לשימוש צבאי מעשירים בדרך כלל עד מעל 90 אחוז. לדוגמה, רמת ההעשרה התקנית של אורניום לפצצות בארצות הברית היא 93.5 אחוז. בפצצת האטום שהוטלה על העיר היפנית הירושימה ב-1945 נעשה שימוש באורניום שהועשר בממוצע לכ-80 אחוז בלבד, כי לא היה די זמן להעשיר אותו לרמה גבוהה יותר. אילו היו משתמשים בכמות זהה של אורניום מועשר לרמה של 90 אחוז, עוצמת הפיצוץ הייתה כנראה כפולה.

איך מעשירים?

השאלה השנייה - איך להעשיר את האורניום - היא המסובכת יותר. התכונות הכימיות של איזוטופים שונים של אורניום הן כמעט זהות ועל כן אי אפשר להפריד אותם באמצעים כימיים - אם כי המצב שונה באיזוטופים של יסודות קלים יותר. כדי לעשות את זה בכל זאת, עלינו לנצל בדרך כלל את ההבדלים הזעירים בתכונות הפיזיקליות שלהם, ובעיקר במסה. גם זה לא פשוט, כי הפרש המסה בין אורניום-235 לאורניום-238 מסתכם בפחות מאחוז וחצי.

כל השיטות להעשרת אורניום מתבססות לפיכך על ההבדל הקטן הזה. כמעט כולן מחייבות שהאורניום יהיה במצב צבירה גזי, ולשם כך יוצרים תרכובת שלו עם היסוד פלואור. כך מתקבל אורניום שש-פלואורי, שהוא חומר מְאכּל ורעיל למדי, אבל קל להופכו לגז. יתרון אחר חשוב שלו טמון בכך שלפלואור יש רק איזוטופ אחד בטבע; לכן, אם יש הבדל במסה בין שתי מולקולות של אורניום שש-פלואורי, הוא ינבע אך ורק מזהותו של איזוטופ האורניום.

השיטה הנפוצה והיעילה ביותר שנמצאת בשימוש כיום היא באמצעות צנטריפוגות (סרכזות). בשיטה הזאת מכניסים את הגז לתוך גליל ארוך של כמה מטרים, שמסתובב במהירות אדירה של כמעט מאה אלף סיבובים לדקה. כך נוצרת הפרדה מסוימת– האיזוטופ הכבד יותר נוטה להתרכז בחלקים החיצוניים של הגליל והאיזוטופ הקל שכיח יותר במרכז הגליל.

השיטה הנפוצה והיעילה ביותר שנמצאת בשימוש כיום להעשרת אורניום היא באמצעות צנטריפוגות. האיזוטופ הקל יותר, אורניום-235, נוטה להתרכז במרכז הגליל. תרשים של צנטריפוגת גז | Wikipedia, Inductiveload

שיטה אחרת, שהייתה נפוצה מאוד בעבר אך כמעט נעלמה מאז, נקראת דיפוזיה גזית. היא משתמשת בתהליך הפעפוע (דיפוזיה), שבו חומרים נוטים לנוע מאזור שבו הריכוז שלהם גבוה לאזור של ריכוז נמוך יותר. בדיפוזיה גזית נותנים למולקולות האורניום השש-פלואורי לעבור דרך מחיצה עם חורים זעירים. מולקולות קלות נעות מהר יותר מהמולקולות הכבדות מהן – לכן הגז מעבר למחיצה יהיה מעט יותר מועשר מהגז שלפניה.

המכנה המשותף של שתי השיטות הוא שמדובר בהפרדה רחוקה מאוד ממושלמת - התוצר המתקבל אינו גז של אורניום-235 וגז של אורניום-238, אלא גז שבו יש קצת יותר אורניום-235 בהשוואה למצב ההתחלתי, וגז שבו יש קצת פחות. זאת משום שההבדלים במולקולות עצמן קטנים כל כך, גם במסה, כפי שהזכרנו כבר, וגם במהירות: בדיפוזיה הגזית, ההבדל במהירות של מולקולות המכילות כל אחד משני סוגי האיזוטופים של האורניום הוא קטנטן. לפיכך כדי להגיע להעשרה משמעותית נחוצים אלפי שלבים של הפרדה, בזה אחר זה. באופן דומה, צנטריפוגה יחידה כמעט ואינה מעשירה אורניום - להעשרה משמעותית צריך מערך של אלפי צנטריפוגות, שהגז מוזרם בהן מצנטריפוגה אחת לבאה אחריה ומועשר עוד קצת בכל שלב.

מכאן נובעת תכונה נוספת המשותפת לכל השיטות להעשרת אורניום: הן צורכות הרבה מאוד אנרגיה ולכן יקרות מאוד. לדוגמה, בצנטריפוגות יש לדאוג שאלפי מכשירים יסתובבו יחד במהירות גבוהה ולאורך זמן. בדומה לכך, בדיפוזיה גזית צריך לדחוס את הגז מחדש אחרי כל שלב כדי שקצב הפעפוע יהיה משמעותי. צריכת החשמל של שיטה זו גבוהה פי בערך 50 משיטת הצנטריפוגות, ולכן היא הרבה פחות כדאית.

מערך צנטריפוגות במפעל להעשרת אורניום באוהיו, ארצות הברית בשנות ה-80. הצנטריפוגות המודרניות קצרות יותר אך עדיין גובהן כמה מטרים | United States Department of Energy

אלו הן שתי השיטות העיקריות. יש עוד שיטות, אך הן אינן בשימוש. חלקן, למשל הפרדה אלקטרומגנטית, יקרות מאוד וצורכות אף יותר אנרגיה. באחרות, כגון הפרדה בעזרת לייזרים, הטכנולוגיה אינה בשלה עדיין.

כתוצר לוואי, תהליך ההעשרה מפיק כמות גדולה למדי של אורניום מדולדל, כלומר אורניום-238 כמעט טהור, עם כמות מזערית של אורניום-235. אין לו כמעט שימוש במה שנוגע לכורים גרעיניים או לפיתוח נשק, אולם הוא פחות רדיואקטיבי מאורניום טבעי ומחירו זול למדי בהיותו תוצר לוואי. מאחר שמדובר במתכת צפופה מאוד, כבדה וחזקה, יש לאורניום המדולדל שימושים אזרחיים וצבאיים אחרים, כמו מיגון טנקים, מיגון נגד קרינה, כדורים חודרי שריון ועוד שימושים שמנצלים את התכונות הכימיות וההנדסיות של האורניום.

כתוצר לוואי, תהליך ההעשרה מפיק כמות גדולה למדי של אורניום מדולדל: מתכת זולה, צפופה וחזקה. קליע מאורניום מדולדל | Wikipedia, Choihei

העשרת אורניום בעולם

כמעט כל מדינה בעלת נשק גרעיני מחזיקה כיום גם ביכולת להעשיר אורניום בהיקף משמעותי. מדינות נוספות, ובהן גרמניה, הולנד ויפן, מחזיקות ביכולת להעשיר אורניום אך לא מנצלות אותה לפיתוח נשק גרעיני. מבחינת היכולת להעשיר כמות גדולה של אורניום בזמן קצר, בראש נמצאת רוסיה ואחריה חברת אורנקו, הנמצאת בבעלות משותפת של כמה ממשלות אירופיות.

חמש מעצמות הגרעין הגדולות – ארצות הברית, רוסיה, סין, צרפת ובריטניה – אינן מייצרות כמעט אורניום מועשר לצרכים צבאיים וחדלו כמעט לגמרי לפתח כלי נשק גרעיניים חדשים. אך לא צריך לדאוג להן – בתקופת המלחמה הקרה הן צברו מאגרים עצומים של פצצות ואין להן צורך לייצר חדשות.

לפיכך, מרבית ההעשרה נעשית כיום לרמות נמוכות של חמישה אחוזים ומטה, כדי לספק דלק לכורים גרעיניים. שיעור לא קטן מהדלק הגרעיני שנמצא בשימוש בעשורים האחרונים מקורו באורניום מועשר לרמה גבוהה שנועד במקור לפצצות, ואחרי שפירקו אותן ערבבו את האורניום המעושר באורניום טבעי עד להשגת רמת ההעשרה הנמוכה הרצויה להפעלת הכורים.

בראש המדינות המחזיקות בכלים להעשרת אורניום נמצאת רוסיה. צנטריפוגות גז במפעל להעשרת אורניום ברוסיה | Sputnik, Science Photo Library

כשפקיסטן החלה את פיתוח תוכנית הגרעין שלה היא העשירה אורניום בעזרת צנטריפוגות. נראה כי היא הצליחה להשיג את התוכניות לבנייתן ולהפעלתן בעזרת מדען פקיסטני שעבד בחברת אורנקו האירופית בשנות ה-70 וגנב אותן בשירות מולדתו. נטען כי בהמשך התוכניות הגנובות הללו נמכרו למדינות נוספות, ובהן איראן.

יכולת ההעשרה נמדדת ביחידות עבודה הפרדתיות, או SWU בקיצור. יש כיום כלים נוחים שמאפשרים לחשב כמה SWU צריך כדי להעשיר אורניום מרמה נתונה אחת לאחרת, או לחלופין כמה עפרת אורניום צריך כדי להגיע לדרגת ההעשרה הרצויה באמצעות כמות נתונה של יחידות עבודה הפרדתיות.

יכולת ההעשרה העולמית הכוללת עומדת כיום על כמה עשרות מיליוני SWU, רובן ברוסיה ובאירופה המערבית, וכמעט כולן באמצעות צנטריפוגות. להעשרת אורניום לרמה נמוכה הדרושה לתדלוק תחנת כוח גרעינית ממוצעת דרושים יותר ממאה אלף SWU בשנה, ורוב מלאכת העשרת האורניום בעולם מוקדשת למטרה הזאת.

אף שדרושה השקעה רבה של אנרגיה כדי להעשיר אורניום לדלק גרעיני, היא נמוכה בהרבה מכמות האנרגיה שתייצר תחנת הכוח הגרעינית כשתנצל את הדלק הזה. עם זאת, ההשקעה ההתחלתית הגבוהה הופכת את האורניום המועשר לחומר יקר. אורניום המועשר לדרגה הנחוצה לייצור פצצה עולה הון רב להפיק, אך קשה להעריך את שוויו המדויק מאחר שחומר כזה אינו נסחר בשוק החופשי.

העשרת יסודות אחרים

כשמדובר באורניום, ברור אם כן למה נחוצה ההעשרה שלו. מה בנוגע להפרדת איזוטופים של יסודות אחרים?

הפרדה כזאת נעשית ביסודות רבים בקנה מידה קטן – של גרמים בודדים. לדוגמה, איזוטופים לא רדיואקטיביים של פחמן או של חמצן משמשים רבות לסימון של אטומים במולקולות, שחוקרים משתמשים בהן לאחר מכן בניסויים בביולוגיה מולקולרית. גם סידן הועשר בעבר בכמויות קטנות למטרות מחקר, למשל כדי להשתמש באיזוטופ שלו לייצור יסודות כבדים מאוד. בקטגוריה הזאת בולט בשנים האחרונות הצורן (סיליקון), שההעשרה שלו מותירה גוש צורן המורכב כמעט כולו מאיזוטופ אחד בלבד, במקום שלושה בצורן הטבעי. מבנה הגביש של הצורן הטהור מבחינה איזוטופית הזה הוא שלם יותר, ולכן מוליך חום טוב יותר מצורן טבעי. לתכונה הזאת יש חשיבות רבה בתעשיית השבבים, וכנראה גם עבור מחשבים קוונטיים שצפויים להיבנות בעתיד.

הפרדה בקנה מידה גדול, של אלפי קילוגרם ויותר, בוצעה רק בשני יסודות פרט לאורניום – מימן וליתיום. ליתיום, היסוד השלישי בטבלת היסודות, הוא מתכת קלה הנפוצה בסוללות חשמליות, וגם משמשת בפצצות מימן. הליתיום כולל שני איזוטופים, שהקל מביניהם מתאים יותר לשימוש בפצצה אך גם נדיר יותר בטבע. בשל כך, המעצמות הגרעיניות ייצרו טונות רבות של ליתיום מועשר במהלך המלחמה הקרה, וחדלו מכך כמעט לגמרי אחרי שהסתיימה. המאגרים הגדולים שנותרו אינם נמצאים כמעט בשימוש כיום.

בהעשרת מימן, מנסים בדרך כלל לבודד את האיזוטופ הנדיר והכבד של מימן, הקרוי דאוטריום (מימן-2) וכולל נייטרון אחד, לעומת אפס באיזוטופ הנפוץ מימן-1. השימוש העיקרי בו הוא לייצור מים כבדים לכורים גרעיניים, כלומר מים שהמולקולות שלהם מכילות דאוטריום במקום מימן רגיל. הדאוטריום נחוץ גם לייצור פצצות גרעיניות, ואכן המעצמות הגרעיניות מחזיקות במלאי גדול של מימן מועשר. כמו כן משתמשים בדאוטריום לשימושים אזרחיים, כמו בדיקות כימיות מסוימות ומחקרים ביולוגיים. בעתיד הרחוק הוא עשוי לשמש גם להפקת אנרגיה, בהיותו הדלק העיקרי של היתוך גרעיני.

בעתיד, דאוטריום עשוי לשמש בהיתוך גרעיני. תרשים של היתוך גרעיני: מימן-2 ומימן-3 מתנגשים, ויוצרים אטום של הליום. נייטרון אחד נפלט בתהליך | Seymour / Science Photo Library

ההעשרה של מימן ושל ליתיום נעשית ללא צורך בצנטריפוגות, אלא בטכניקות אחרות המתבססות על ההבדלים הכימיים בין האיזוטופים; זה אפשרי מאחר שביסודות קלים יותר ההבדל היחסי בין האיזוטופים משמעותי הרבה יותר מאשר ביסודות כבדים כמו אורניום, ולכן מורגש הבדל גם בתכונות הכימיות שלהם.

הפרדת איזוטופים, לפיכך, היא טכנולוגיה המשמשת לא מעט לצרכים צבאיים בתחום הגרעין אך יש לה גם שימושים אזרחיים. בעתיד, אולי בעוד כמה עשורים, כשחשמל שיופק מהיתוך גרעיני זול ונקי יאיר את בתינו, נוכל לומר שהשלמנו מעגל, והפרדת איזוטופים הפכה מאמצעי מלחמתי למקור אנרגיה בלתי נדלה לצורכי שלום.