ביקוע גרעיני הוא תהליך עתיר אנרגיה שבמסגרתו אטומים לא יציבים מתפרקים למספר רב של חלקיקים, אשר סך כל המסה שלהם נמוך מזה של האטומים המקוריים. המסה ה"חסרה" היא מסה שהפכה לאנרגיה, ולכן בתהליך הזה נפלטת אנרגיה רבה. בני האדם מנצלים את התהליך לצורך הפקת אנרגיה למטרות אזרחיות בכורים גרעיניים או למטרות צבאיות הרסניות בפצצות גרעיניות. היישומון שלפנינו מתאר את תהליך הביקוע הגרעיני ומדגים איך הוא מתרחש באטומי אורניום. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
במסגרת תהליך הביקוע הגרעיני פוגע חלקיק בגרעין של יסוד יציב, נטמע בתוכו וגורם לו לאבד את יציבותו. כתוצאה מכך היסוד מתפרק במהירות לכמה חלקיקים שמתפזרים לכל עבר. במהלך פירוק הגרעין משתחררת כמות עצומה של אנרגיה. ביישומון הזה בחרו להדגים את התהליך באמצעות היסוד אורניום, שבו נעשה שימוש בדלק גרעיני.
הסיבה לכך שמשתמשים דווקא באורניום היא חוסר היציבות של האיזוטופ הרדיואקטיבי אורניום 235 (U235) שלו, שמספיק לפגוע בו עם ניוטרון כדי ליצור אורניום 236 שמתפרק ספונטנית ליסודות בריום (Ba) וקריפטון (Kr) או רובידיום (Rb) וצזיום (Cs) ועוד שניים-שלושה נויטרונים חופשיים. הנויטרונים החופשיים ממלאים תפקיד מפתח בתגובת השרשרת שמאפשרת הפקת אנרגיה בכורים גרעיניים או בפצצות גרעיניות.
אם המושגים איזוטופים, נויטרונים, רדיואקטיביות או חלקיקי האטום אינם מוכרים לכם, מומלץ שתצפו במצגת כוח הכימיה – האטום ובסדרת הסרטונים חלקיקי החומר, כמו כן, על מנת לקבל הבנה טובה יותר של התהליך אני ממליץ לכם לצפות בסרטון ביקוע והיתוך – מקורות האנרגיה העצומים של הטבע ולקנח בסרטון איך פועלת תחנת כוח גרעינית?
היישומון מחולק לשלושה חלקים:
ביקוע גרעיני של אטום בודד: כאן תידרשו לירות נויטרון על אטום אורניום 235 ולצפות במתרחש. שימו לב למטה לדיאגרמת האנרגיה ליומת מרחק. מה קרה כשיריתם נויטרון על האורניום, למה הוא הפך ומה קרה לו לאחר מכן? בהתבסס במה שראיתם בדיאגרמה, מה לדעתכם הסיבה לכך (רמז – שימו לב לסך האנרגיה ולמיקום של האורניום בגרף)? שימו לב שאחרי שיריתם נויטרון אחד, ירי של נויטרונים נוספים לא ישפיע. מדוע זה קורה לדעתכם?
תגובת שרשרת: כשיורים נויטרון על אורניום, נפלטים מהאטום שניים או שלושה נויטרונים "חדשים". הנויטרונים האלה עשויים לפגוע באטומי אורניום נוספים, שיתפרקו גם הם בתורם ויפלטו נויטרונים נוספים וכן הלאה. התהליך הזה נקרא "תגובת שרשרת".
ביישומון אתם יכולים לשלוט בכמות אטומי האורניום שעל המסך. נתחיל באורניום 235. מלאו את המסך ב-U235 ותירו נויטרון. מה אתם רואים? אם נשים כמות גדולה של אטומי U235, איך לדעתכם תבוא לידי ביטוי האנרגיה האדירה שתיפלט? נרמוז ונאמר שמדובר בכמות אנרגיה אדירה ובלתי ניתנת לריסון.
כעת מלאו את המסך באטומי אורניום 238. מה התרחש כרגע? איך תיראה לדעתכם דיאגרמת האנרגיה של U238 לפני פגיעת הנויטרון ואחריה? המשיכו ושחקו בכמויות שונות של אטומי U235 ו-U238 ונסו לראות את הדינמיקה של שני האיזוטופים בתגובה גרעינית. כעת הוסיפו כלי הכלה וחזרו על הניסויים הקודמים. האם אתם רואים הבדל כלשהו? מהו?
כור גרעיני: בחלק הקודם ראינו איך נוצרת תגובת שרשרת. כדי ליצור תגובת שרשרת בטיחותית, שלא תצא משליטה ותיצור חימום יתר שעלול לגרום אסון (כפי שקרה בכור הגרעיני בצ'רנוביל בשנת 1986). בחלק הזה של היישומון קיימים מוטות בקרה. למה לדעתכם הם מיועדים?
נסו כעת לירות נויטרונים ברמות פתיחה שונות של מוטות הבקרה. מה אתם רואים? שימו לב משמאל לגרף האנרגיה והכוח. מד האנרגיה מסמל את סך האנרגיה שהופקה בכור ומד הכוח מייצג את כמות הכוח שקיים במערכת. השאיפה היא לשמור על כוח מינימלי ולהגיע לאנרגיה גבוהה בזמן מקסימלי. איך תעשו את זה בעזרת משחק עם המוטות? מה יקרה לדעתכם לכור גרעיני שבו המוטות סגורים לחלוטין?
ביישומון ראינו איך מתרחש תהליך הביקוע הגרעיני, למדנו על תגובת השרשרת וראינו איך מרסנים אותה כדי להפיק אנרגיה. ביקוע גרעיני הוא תהליך שמשמש להפקת אנרגיה מרוסנת למטרות אזרחיות או אנרגיה בלתי מרוסנת למטרות צבאיות. כיום ישנם סוגים שונים של כורים גרעיניים בשלל גדלים וסוגים ולמגוון מטרות.
שאלה לדיון מדעי: מדוע לדעתכם האנרגיה הגרעינית נחשבת יעילה מאוד ובטוחה יחסית לאפשרויות אחרות?
אתם מוזמנים לשאול שאלות ולכתוב תגובות על תוצאות מעניינות שקיבלתם ולספר איך אתם מפרשים אותן.
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.