אלעד רזניק: אנרגיה גרעינית מהי?

אנרגיה גרעינית

[קרדיט: cc by kpfellows, flickr]

דיון ציבורי אמתי בנושא הגרעין האיראני לא קיים, בעיקר כיוון שמדובר בנושא מורכב, הדורש הבנה במבחר תחומים ביניהם פיזיקה ודיפלומטיה. השיטוט במרחבי העיתונות הישראלית מחד גיסא; ובמדיה האלטרנטיבית מאידך גיסא, מעלה תמונת מצב עגומה. בפרפרזה על דברי צ'רצ'יל, מעולם לא דיברו רבים כל כך, הרבה כל כך, על נושא בו הם מבינים מעט כל כך. (@כל הזכויות על הפרפרזה שמורות @Tal Inbar).

מטרת המאמר הזה לספק את הכלים הבסיסיים להבנת סוגיית הגרעין, מהמונחים הבסיסיים ועד שרשרת הפעולות, הנדרשת ממדינה המבקשת לשלוט בתהליך הדרוש על מנת לייצר אורניום מועשר לשימושים שונים. 

אז מה זה הגרעין הזה בכלל?

אנרגיה גרעינית מופקת מניצול הפוטנציאל האנרגטי הטמון בגרעין האטום. גרעין האטום (למי שלא זוכר מלימודי הפיזיקה בתיכון) מורכב מפרוטונים וניוטרונים הקשורים זה לזה על ידי "הכוח החזק" שלמעשה מחבר קווארקים (חלקי היסוד בגרעין האטום) לפרוטונים וניוטרונים. הכוח החזק הוא אחד מארבעת כוחות היסוד בטבע: כוח הכובד, כוח אלקטרומגנטי, הכוח החלש והכוח החזק.

קיימות שתי שיטות עיקריות להפקת אנרגיה גרעינית:

1. ביקוע גרעיני – תגובה פיזיקלית בה גרעין האטום מתפצל לגרעינים קטנים יותר תוך פליטה של ניוטרונים. ביקוע גרעיני יוצר תגובת שרשרת גרעינית והוא הבסיס לפעולתם של כורים גרעיניים. בכור גרעיני הביקוע נעשה בצורה איטית, יוצר תגובת שרשרת איטית ומשחרר (יחסית) מעט אנרגיה. בפצצה גרעינית תהליך הביקוע מהיר יותר תגובת השרשרת מהירה ומשתחררת יחסית הרבה אנרגיה.

2. היתוך גרעיני – תגובה פיזיקלית בה גרעין האטום מתמזג לגרעין גדול יותר. התהליך כרוך בפליטה רבה של אנרגיה והוא מתרחש בכוכבים ופצצות מימן. היתוך גרעיני הוא למעשה מקור האנרגיה השמשית. צרפת החלה בשנת 2005 בניה של כור גרעיני בשם Iter, למטרות מחקר, על בסיס היתוך גרעיני קר. היתוך קר הוא היתוך שנעשה בטמפרטורה, שאיינה גבוה במידה חריגה. היא אמורה להשלים את בנייתו השנה (2015).

כל כורי הגרעין בעולם, למעט כור המחקר הצרפתי, הם כורי ביקוע (קיימים גם כורי פלוטונים – ניגע בהם אח"כ).

אז מה זה כור גרעיני?

כור גרעיני הוא מתקן תעשייתי, שבו מתחוללת תגובת שרשרת מבוקרת, שמשחררת אנרגיה ומפיקה חום לצורך הנעת תחנת כוח שמייצרת חשמל. כיוון שבתהליך הביקוע הגרעיני משתחררת אנרגיה רבה מאוד, ביחס למסת הדלק שצרכים בכדי להפעיל אותו, נחשבים כורים גרעיניים ליעילים מאוד, במיוחד בהשוואה לאנרגיה המיוצרת על ידי שימוש בתהליכי בעירה בתחנות כוח מבוססות פחם, נפט או גז טבעי.

איך מופעל כור גרעיני?

כור גרעיני מופעל על ידי מוטות דלק גרעיני, שמוכנסים לליבת הכור בה מתבצע תהליך הביקוע.

מה זה מוט דלק גרעיני?

מוט דלק גרעיני הוא מוט מתכת, שבתוכו נמצא הדלק הגרעיני שמכיל תחמוצות אורניום מועשרות. הדלק הגרעיני מכיל אוראניום שמועשר לרמה של כ 4% העשרה (SEU – Slightly Enriched Uranium). בתהליך ההעשרה מערבבים את האורניום עם חומרים שונים, בכדי לשפר חלק מהתכונות שלו.

איפה מוצאים אורניום?

אורניום הוא יסוד כימי, שסמלו הכימי U ומספרו האטומי 92. האיזוטופ U235 מהווה 0.72% מסך המסה של האורניום הטבעי המצוי במכרות אוראניום. U235 הוא החומר הנדרש לביקוע גרעיני. אוראניום מועשר הוא אוראניום שריכוז האיזוטופ U235 הוגדל בו בדרכים מלאכותיות, וזה החומר שנדרש לצורך ביקוע גרעיני.

בטבע, האורניום נמצא בתוך גושי עופרת הנכרים במכרות. באיראן קיימים שני מכרות אוראניום:

  1. גאצ'ין (Gachine), (מיקום: 27.093756, 55.948862): במכרה קיימים מרבצי אורניום, המוערכים בכ- 100 טון. פעילות הכריה בו החלה ב 2004. המכרה הזה נחשב למכרה, שמייצר עוגה צהובה (Yellow Cake) לצורכי נשק גרעיני, כיוון שסה"כ כמות מרבצי האורניום שבו קטנה מדי בשביל לייצר מספיק מוטות דלק גרעיניים, הנדרשים להפעלת כור ביקוע גרעיני.
  2. סאגהאנד (Seghand), (מיקום: 32.516389, 55.584722): בניית המכרה החלה ב- 1995, כשאיראן חתמה על חוזה עם חברה רוסית. הבניה הסתיימה בשנת 2004. הסינים העריכו את כמות מרבצי האוראניום במקום בכ- 1000 טון. צפי הכריה השנתי עומד על בערך כ- 50 טון. האיראנים החלו בכריית עופרות האורניום בתשיעי לאפריל 2013.

מה עושים עם האורניום לאחר כרייתו?

לאחר כריית האורניום מפיקים ממנו עוגה צהובה. עוגה צהובה היא חומר הגלם המשמש ליצירת אוראניום מעושר. איראן מפיקה עוגה צהובה ב-ארדאקען (Aardkan) (מיקום: 32.329906, 53.950946). בניית המתקן החלה בשנת 2004 והסתיימה בשנת 2013. המתקן התחיל לפעול באפריל 2013. הוא מסוגל לטפל בכ- 50 טון עופרות אורניום בשנה. כמות שתואמת את כמות עופרות האוראניום המופקות במכרה בסאגהאנד.

העוגה הצהובה שמופקת משמשת להעשרת אורניום

לאחר הפקת העוגה הצהובה מתחיל תהליך העשרת האורניום, שמתבצע ע"י שימוש ב- סרכזותצנטריפוגות (ראו הסבר בהמשך). האיראנים פיתחו 8 גרסאות של סרכזות / צנטריפוגות, שסימנם IR-1 עד IR-8. הסרכזות / הצנטריפוגות הללו נבדלות בפרמטרים הטכניים שלהם, ובעיקר, ביכולת התפוקה שלהם. האיראנים מפעילים נכון להיום כ- 19,000 סרכזות / צנטריפוגות, שממוקמות בכמה מתקני העשרה.

בשביל להעשיר אורניום, העוגה צהובה חייבת לעבור ראשית המרה לגז. בתהליך הזה האורניום מורכב עם פלואור, והתוצר הוא גז אוראניום שש פלואורי (UF6).

לאיראן מתקן המרה (מעוגה צהובה ל- UF6) באיספאהן (מיקום: 32.741238, 51.552172). המתקן החל לעבוד ביוני 2006. ממידע שהגיע לסבא"א, המערב למד שאיראן ביצעה את רוב ניסיונות ההמרה בין השנים 1981 ל- 1993, במרכז המחקר הגרעיני בטהרן. ב- 1991 איראן חתמה על הסכם לקניית מתקן המרה שלם מהסינים. החוזה בוטל בלחץ האמריקאים, אבל האיראנים שמרו לעצמם את תכניות המפעל, ובנו את המפעל בעצמם. בניית המפעל החלה בסוף שנות ה- 90 של המאה הקודמת.

הפעילות במפעל הוקפאה בעקבות החוזה שנחתם עם האירופאים בשנת 2004; ובשנת 2005, האיראנים הודיעו על חידוש הפעילות במפעל. יכולת ההמרה של המפעל עומדת על כ- 200 טון בשנה, המפעל הגיע למלוא התפוקה בשנת 2008. ומאז עובד באותה רמת נצילות.

אז מה עושים עם הגז?

כאמור, ריכוז האיזוטופ U235 באוראניום בטבע הוא כי 0.7%. בכדי לייצר תהליך ביקוע צריך להגדיל את ריכוז האיזוטופ 235U בגז, איך עושים את זה? יש כמה שיטות, האיראנים עושים את זה באמצעות שימוש בסרכזת / בצנטרפוגה.

אז מהי סרכזת / צנטריפוגה ואיך היא פועלת?

סרכזת / צנטריפוגה היא מתקן להפרדת חומרים. היא בנויה מגליל עשוי מתכת, שמסתובב במהירות רבה. בגלל מהירות החומרים והכוחות הפועלים על החומר שבתוך הגליל, חומרים בעלי צפיפות גבוה יותר - ששוקלים יותר - מצטברים קרוב לחלק התחתון של הגליל, בעוד שהחלקים הקלים יותר, מצטברים בחלקו העליון.

אז מה מופרד בגז שמכניסים לסרכזת / לצנטריפוגה? בתערובת הגז יש כמה איזוטופים. האחד 235U, והשני 238U. הסרכזת / הצנטריפוגה מפרידה בין שני האיזוטופים, כיוון שהמשקל הסגולי שלהם שונה, והם נמצאים בתווך שמאפשר זאת.

לאיזה רמת העשרה מעשרים את הגז?

תלוי ביעוד. בשביל לפשט את הדברים נאמר, שכל השימושים האזרחיים משתמשים באורניום, שהועשר לרמה של עד 19.75%. רמת העשרה הזאת נקראת Low Enriched Uranium, או LEU. למעשה רוב כורי האנרגיה הגרעינית בעולם נדרשים לאוראניום בעל רמת העשרה של בין 3% ל- 5%, אולם כורי מחקר דורשים להפעלתם אורניום, שהועשר לרמה של בין 12% ל- 19.75%.

איזה רמת העשרה נדרשת ליצירת נשק גרעיני? שימושים צבאיים דורשים אורניום, שהועשר לרמה של 20% או יותר. רמת העשרה הזאת נקראת High Enriched Uranium או HEU. אורניום המועשר לרמה של 85% נחשב לכזה, שהועשר במיוחד לשימוש בנשק או Weapons – Grade.

האם ניתן להשתמש בנשק גרעיני באוראניום שהועשר לרמה נמוכה יותר מ- 85%? כן, רק שנדרש יותר אוראניום.

לסיכום, שרשרת הפעולות הנדרשת ממדינה המבקשת לשלוט בתהליך הדרוש על מנת לייצר אורניום מועשר לשימושים שונים: 

  • כריית אוראניום;
  • הפיכתו לאבקה צהובה;
  • הפיכתו לגז 6UF;
  • העשרת האורניום.

2 thoughts on “אלעד רזניק: אנרגיה גרעינית מהי?

  1. Pingback: אלעד רזניק: הכל על הסכם הגרעין האיראני - ייצור ידע

  2. Pingback: אלעד רזניק: איך מפקחים על אנרגיה גרעינית? - ייצור ידע

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.