אנרגיה גרעינית

אֵנֶרְגִּיָּה גַּרְעִינִית היא האנרגיה הטמונה בגרעין האטום. בדרך כלל מתייחס המושג לניצול האנרגיה לצרכיו של האדם. גרעין האטום מורכב מפרוטונים ונייטרונים הקשורים זה לזה על ידי הכוח הגרעיני. כאשר אנרגיית הקשר הגרעינית קטנה מספיק, ניתן להתגבר עליה ולבקע את גרעין האטום ובכך לשחרר אנרגיית דחייה חשמלית בין מרכיביו. לעומת זאת, כאשר אנרגיית הקשר הגרעינית גבוהה מספיק, ניתן להרוויח אנרגיה על ידי היתוך גרעיני.

בעוד שהרבה מקורות אנרגיה סביבנו משתמשים בשינוי קשרים כימיים, דבר המערב שינוי ברמת האנרגיה של האלקטרונים סביב הגרעינים, באנרגיה גרעינית מקור האנרגיה היא בשינוי שקורה בגרעין האטום עצמו. אגוזים ירוקים מלאים במים משום שהמרחק בין החלקיקים בגרעין קטן פי 100,000 ממרחק האלקטרון מהגרעין, הכוחות החשמליים הפועלים בגרעין חזקים בסדר גודל רב מהכוח החשמלי בין האלקטרונים לגרעינים, דבר המביא לכך שהאנרגיה הגרעינית שמשתחררת ליחידת מסה לרוב גדולה פי עשרות מיליונים מהאנרגיה הכימית שמשתחררת ליחידת מסה. זאת אומרת, עבור החומרים הנכונים, ניתן לספק אנרגיה של עשרות טונות דלק בקילוגרם בודד של חומר ממנו משחררים אנרגיה גרעינית.

הפקת אנרגיה חשמלית על ידי ביקוע גרעיני

כור גרעיני ליצור חשמל בשווייץ

אנרגיה גרעינית להפקת חשמל מיוצרת כיום בתהליך ביקוע גרעיני. בתהליך זה משתחררת אנרגיה רבה שמקורה בחלק בדחייה החשמלית בין רכיבי הגרעין, ובאמצעותה מחממים זורם (למשל מים לקיטור) המסובב טורבינות ליצירת חשמל או דחף בכורים גרעיניים.

בתהליך הפקת האנרגיה הגרעינית מתרחשת תגובת שרשרת שמתחילה עם ביקוע הגרעין, שמייצרת כמויות עצומות של חום שבעזרתן מרתיחים מים שיוצרים קיטור אשר מפעיל את הטורבינות. אנרגיה גרעינית מהווה כ-9% מכלל האנרגיה שמופקת בעולם. הטכנולוגיה להפקת חשמל מביקוע גרעיני מיושמת בעיקר במדינות מתועשות, במדינות ברית המועצות לשעבר ובסין, כמו גם לצורכי הנעה ימית צבאית בעיקר בצוללות ובנושאות מטוסים. הנעה באניות אזרחיות נוסתה בעבר במספר שוברות קרח רוסיות, וכן באניה האמריקנית סבאנה.

עלות ייצור החשמל בשיטה זו זולה במקרים רבים מעלות ייצורו מפחם, והיא נחשבת לזולה ביותר באנרגיה החלופית. הפקת חשמל בשיטה זו מהווה כחמישית מהפקת חשמל בעולם, ומיושמת בכ-31 ארצות שמפעילות כ-435 כורים גרעיניים, המפיקים הספק כולל של 370 גיגה-ואט. הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (סבא"א) צופה גידול שנתי של 2.5% בהפקת חשמל בתחנות כוח גרעיניות קימות ועתידות, עד להספק כולל של 679 גיגה-ואט בשנת 2030.^[1]

אנרגיה גרעינית היא מבין השיטות הבטיחותיות ביותר ליצור חשמל, ועומדת על כ- 0.07 מתים לכל טרה-ואט-שעה (מספר דומה לזה של אנרגיה סולארית ואנרגיית רוח), פי 40 פחות מקרי מוות ליחידת אנרגיה מגז טבעי (2.82 מתים לטרה-ואט-שעה), פי 260 פחות מנפט (18.43 מתים) ופי 350 פחות מפחם (24.62 מתים).^[2]

חסרונותיה של שיטה זו הן: המורכבות של יישומה ותחזוקה השוטף והבטוח, הסיכון המתמיד לעובדים, החשש מזיהום הסביבה במקרה של תקלה בכור והפקת תוצר לוואי רעיל ורדיואקטיבי עמיד שלא ניתן להפטר ממנו, ויש לאחסנו באופן מאובטח, לבל יזהם את כדור הארץ או ישמש לפצצה מלוכלכת. בכל שנה מיוצרים בעולם עשרות אלפי טונות של פסולת רדיואקטיבית שיש לקוברה. כך בארצות הברית חוצבים מנהרות אחסון מאובטחות בליבם של הרים מבודדים כמו הר יוקה, ששוכן צפונית מערבית ללאס וגאס, או משנעים פסולת רדיואקטיבית לאחסונה במדינות העולם השלישי.

הכור מהווה אף הוא מוקד סכנה פוטנציאלי, במקרה של תאונה, התקפה מכוונת של האויב, או פעולת טרור. בתאונת אי שלושת המילין שאירעה בארצות הברית בשנת 1979 שוחררו גזים רדיואקטיביים לאטמוספירה, אך לא נפגעו בני אדם. תאונה חמורה בהרבה אירעה באוקראינה, דאז רפובליקה של ברית המועצות, באסון צ'רנוביל בשנת 1986, בעקבותיו פונו כ-300,000 תושבים מבתיהם עקב דליפה רדיואקטיבית מתחנת כוח גרעינית. האסון נגרם כתוצאה מניסוי מסוכן שנערך ברשלנות, ולא כתוצאה מתקלה בפעולת הכור השגרתית.

בגלל הסיבות הללו, בעולם המערבי כמעט שלא מוקמות תחנות כוח גרעיניות בשנים האחרונות, וישנן מדינות כמו גרמניה שהתחייבו לסגור את הכורים הגרעיניים שלהן תוך פרק זמן קצוב, עקב לחצם של תנועות ומפלגות ירוקות. לעומת זאת, בארצות כמו קוריאה הדרומית, סין, רומניה ורוסיה הולכות ונבנות תחנות גרעיניות רבות, כדי להתמודד עם הצריכה ההולכת וגוברת בחשמל. כורים אלו נבנים לפי תקנים מחמירים המאפשרים דרגת בטיחות גבוהה. בשנים האחרונות (2002–2008) החלה החברה לאנרגיה אטומית של קנדה (AECL) בשיתוף עם חברות חשמל קנדיות לשפץ כורים גרעיניים קנדים שהתישנו, לצורך הארכת השימוש בהם מעבר לתקופה המקורית שעבורה הם נבנו.

דוגמה לשינוי בגישת העולם המערבי כלפי תחנות כוח גרעיניות היא איטליה שבעקבות אסון צ'רנוביל החליטה במשאל עם בנובמבר 1987 להפסיק כל שימוש באנרגיה הגרעינית במדינה, כולל פירוק תחנות קיימות. ההחלטה התקבלה על אף תלותה של המדינה במקורות אנרגיה זרים והעלות המשוערת למשק. עם זאת, בשנת 2009, במסגרת רפורמות לשיפור המשק האיטלקי, התקבל ב-9 ביולי חוק המכשיר מחדש את הקמתן של תחנות כוח גרעיניות בשל העלייה במחירי מקורות האנרגיה בעולם.^[3]

בשנת 1993 הוצע סוג חדשני של תחנת כוח גרעינית, בה משולבים מאיץ חלקיקים וכור גרעיני תת-קריטי. תחנת כוח מסוג זה, הנקראת מגבר אנרגיה, צפויה להיות נקייה, בטוחה וזולה לתפעול. זאת בעיקר משום שלא מתחוללת בה תגובת שרשרת גרעינית ואין חשש לתגובות בלתי מבוקרות. למעשה, נבחנת האפשרות להשתמש במגברי אנרגיה לביקוע חומרים רדיואקטיביים מסוכנים לתוצרים לא מסוכנים. כך ניתן להיפטר מפסולת גרעינית במקום להטמינה. יישום זה מעורר עניין במיוחד לאור החשש משימוש עוין בפסולת גרעינית להכנת "פצצה מלוכלכת". עם זאת, עלות הפקת האנרגיה בצורה זו תהיה יקרה מאשר בכור רגיל, היעילות נמוכה בהרבה ועדיין ייווצרו חומרים רדיואקטיביים (בעיקר תוצרי ביקוע ואקטינידים כבדים) בכמות רבה.

בתחילת שנת 2022, הכיר האיחוד האירופי בייצור חשמל בעזרת אנרגיה גרעינית כ"השקעה ירוקה".^[4]

שימוש בביקוע גרעיני ליצירת פצצות

שימוש נוסף של אנרגיית ביקוע גרעיני היא בפצצות אטום או בנשק גרעיני אחר. בפצצות אלו משתמשים בחומרים בקיעים בריכוז איזוטופי גבוה במיוחד (כגון אורניום 235 ופלוטוניום עם מספר אי זוגי). כאשר מפציצים את הגרעין בנייטרונים, נוצר ביקוע בו נפלטים נייטרונים נוספים מהגרעינים אשר הופצצו והנייטרונים הללו פוגעים בגרעינים אחרים וכך נוצרת תגובת שרשרת. בתגובת שרשרת, נוצרת כמות גדולה של חום, כ^11- 10*3.2 ג'אול לתגובה פירוק יחידה של אוראניום, פי 200 מיליון מאשר שרפת פחם ליצירת חשמל.

היתוך גרעיני

עוד דרך להפיק אנרגיה היא היתוך (או מיזוג) גרעיני, תהליך שבו ממזגים גרעינים של אטומים קטנים וגרעינים של אטומים גדולים יותר. דוגמה לשיטה היא למשל חיבור של שני גרעיני איזוטופ מימן (D פרוטון אחד ונייטרון אחד) בטמפ' של מיליוני מעלות צלזיוס ונוצר מזה גרעין של הליום (שני פרוטונים ושני נייטרונים). תהליך זה גורם גם הוא לפליטת כמות אדירה של אנרגיה, של כ-^13- 10*5.1 ג'אול לאטום הליום, או 3.2 מגה אלקטרון וולט. לצורך השוואה: אנרגיה שמופקת מחמצון (שרפה) של אטום אחד של פחמן קטנה פי 320,000.

היתוך גרעיני מתרחש בכוכבים ובפצצת מימן בה גרעינים של אטומי מימן מתמזגים לגרעין גדול יותר (הליום), ופולטים אנרגיה רבה. התהליך אינו יכול להתחיל באופן ספונטני, אלא דורש אנרגיה תחילית רבה (קרוב ל-100 מיליוני מעלות). בכוכבים, אנרגיה זו נוצרת מדחיסה גרביטציונית בכוכבים. תהליך ההיתוך הגרעיני הוא ידידותי ונקי, תוצרי התהליך הם אנרגיה ויסודות שנוצרו מהיסודות שגרעיניהם השתתפו בתהליך.

ב-24 בינואר 1958, בוצע לראשונה בהיסטוריה היתוך גרעיני בידי בני אדם. שני אטומים קטנים התחברו לאטום גדול יותר, אחרי שחוממו עד למאה מיליון מעלות. בעשורים האחרונים נעשים ניסיונות לרתום אנרגיה זו בתהליך מבוקר של "היתוך גרעיני קר", כלומר היתוך גרעיני שנעשה בטמפרטורה שאינה גבוהה במידה חריגה, לשם ייצור אנרגיה. עד סוף 2004 לא הצליחו להציע תהליך יעיל ושימושי לשם כך. ב-1989 שני מדענים (Fleischmann ו-Pons) טענו שהם הצליחו לבצע היתוך גרעיני קר, אך הקהילייה המדעית התייחסה ברובה לטענתם בזלזול, מכיוון שניסיון לחזור על התהליך לא נחל הצלחה.

פרויקט איטר (ITER) של האיחוד האירופי, הוא כור היתוך גרעיני ניסיוני שיוקם כנראה בצרפת, בעלות של כ-5 מיליארדי דולרים. בתהליך זה, קילוגרם אחד של מימן, יוכל לייצר כמות אנרגיה, השקולה לעשרה מיליון קילוגרם של דלק מאובנים.

באוגוסט 2023 הכריזו מעבדות לורנס ליוורמור האמריקאיות כי הצליחו פעמיים ליצור אנרגיה של 3.15 מגה ג'ול מהיתוך מימני בהשקעה של 2.05 מגה ג'ול.^[5]