הגרעין ואנחנו – שאלות ותשובות בעקבות ההסכם עם איראן

מדריך למונחים הבסיסיים של עולם הגרעין בעקבות חתימת ההסכם בין המעצמות לאירן המסדיר את פעילותה בתחום הגרעיני

מהו יסוד?

כל מה שקיים ביקום מורכב מצירופים של פחות מ-100 חומרים בסיסיים, הקרויים יסודות. מים, למשל, הם תרכובת של היסודות מימן וחמצן. מלח שולחן הוא תרכובת של יסודות אחרים: נתרן וכלור. יחידת הבסיס של כל יסוד הוא האטום, וכל אטום (כמעט) מורכב משלושה סוגים של חלקיקים קטנים יותר: פרוטונים ונייטרונים, השוכנים בגרעין, ואלקטרונים, המקיפים אותו. מספר הפרוטונים בגרעין הוא שקובע את סוג היסוד: לחמצן יש שמונה פרוטונים בגרעין. אם נגרע אחד, זה כבר לא יהיה חמצן, אלא חנקן. אם נוסיף פרוטון לגרעין של אטום חמצן, הוא יהפוך לפלואור (כן, זה ממשחת השיניים).

מהו יסוד רדיואקטיבי?

רוב היסודות שסביבנו יציבים מאוד, אבל מדי פעם קורה שהגרעין שלהם פשוט מתפרק, בלי סיבה מיוחדת. גרעין של פולוניום למשל (החומר שהפלסטינים טוענים שישראל הרעילה באמצעותו את ערפאת), מכיל 84 פרוטונים, אבל מדי פעם הוא פולט שני פרוטונים, עם חלקיקים נוספים וקרינה, והופך לאטום עופרת, עם 82 פרוטונים. התפרקות כזו מכונה התפרקות רדיואקטיבית. פולוניום הוא דוגמה לחומר רדיואקטיבי מאוד – אם ניקח ק”ג אחד של פולוניום, תוך שלוש דקות יישאר בידינו רק חצי ק”ג – השאר יהפוך לעופרת (בניכוי החלקיקים שנפלטו). לעומת זה, אם ניקח ק”ג אחד של פחמן, יחלפו 5,730 שנים בטרם יתפרק מחצית החומר. לכן מדענים משתמשים בבדיקת ריכוז הפחמן לקביעת גילם של ממצאים ארכיאולוגיים.

איזוטופים

כאמור, מספר הפרוטונים בגרעין של יסוד תמיד קבוע. מספר הנייטרונים, לעומת זה, יכול להשתנות. לפחמן, למשל, תמיד יש 6 פרוטונים בגרעין, אבל לפעמים יש לו ששה נייטרונים (אז הוא מכונה פחמן 12, כלומר 6+6), שבעה נייטרונים (פחמן 13) או שמונה (פחמן 14 – הוא המשמש לתיארוך בארכיאולוגיה). כל צורה שונה כזו נקראת איזוטופ. לאיזוטופים של יסוד מסויים יש תכונות כימיות זהות, אבל הם נבדלים בתכונות הפיזיקליות, כמו המשקל, ובעיקר – ביציבות של גרעין האטום. יכולים להיות שני איזוטופים של אותו חומר, שאחד מהם יציב מאוד, והאחר רדיואקטיבי מאוד.

מהי תגובה גרעינית?

יש חומרים, שהגרעין שלהם יציב מאוד, אבל אם מוספים להם משהו, היציבות הזו מתערערת. זה למשל המצב בגרעין של אורניום 235. הוא מכיל 92 פרוטונים ו-143 נייטרונים. ואולם, אם מוספים עוד נייטרון אחד, הגרעין מתבקע לשניים, והאורניום מתפרק לשני יסודות אחרים: בריום (56 פרוטונים) וקריפטון (36). בתהליך הזה משתחררים עוד שלושה נייטרונים וכן אנרגיה רבה (בצורה של קרינת גמא). אם סמוך לאטום המתבקע יש עוד אטומים רבים של אורניום 235, יש סבירות שאחד הנייטרונים שהשתחררו, יפגע בגרעין שלהם, ויבקע אותו. שוב ישתחררו שלושה נייטרונים, שוב יש סיכוי שהם יבקעו גרעינים של אטומים סמוכים, וכו’. זו תגובת שרשרת גרעינית, ואם יש מספיק חומר בקיע (כלומר, אורניום 235), כמות האנרגיה שתשחרר עשויה להיות עצומה, ויתרחש פיצוץ גרעיני.

מהי העשרת אורניום?

אורניום הוא מתכת הנמצאת בטבע, ואפשר לכרות אותה מבטן האדמה. בערך 99.2% מהאורניום בטבע הוא אורניום 238. זה אחד החומרים היציבים ביותר שקיימים: עד שתתפרק מחצית החומר יחלפו כ-4.5 מיליארד שנים, שזה בערך גילו של כדוה”א (ואכן אורניום משמש בתארוך הסלעים הקדומים ביותר). רק בערך 0.7% מהאורניום בטבע הוא האיזוטופ הבקיע, 235. אם רוצים לייצר פצצה גרעינית, חייבים לקבל ריכוז גבוה יותר של אורניום 235 – בתהליך שנקרא העשרה. השיטה הנפוצה להעשרה היא חימום של עפרות האורניום עד שהן מתאדות לגז. את הגז הזה מכניסים לצנטריפוגה – מתקן בצורת גליל המסתובב במהירות עצומה, ומפריד בין האיזוטופים לפי משקלם: כמו בקרוסלה, הכבד יותר נזרק החוצה, ובמרכז נשאר שיעור גבוה יותר של אורניום 235. אחרי כל הפעלה אוספים את החומר מהמרכז, ומריצים אותו בעוד צנטריפוגה. אם חוזרים על התהליך אלפי פעמים, מקבלים בהדרגה חומר שאחוז האורניום 235 בתוכו גבוה יותר.

כיצד פועל כור גרעיני?

כור גרעיני הוא מתקן שבו מתבצעת תגובת הביקוע באופן נשלט, בלי לגרום לפיצוץ גרעיני (אם אין תקלות, כמובן). רוב הכורים מנצלים את החום הנוצר מן האנרגיה המשתחררת בתגובה כדי לייצר חשמל. בכורים מחקריים מנתבים את הנייטרונים המשתחררים כך שיפגעו בגרעינים של יסודות מסויימים, ויהפכו אותם לאיזוטופים רדיואקטיביים יותר, המשמשים ברפואה ובמחקר. לייצור חשמל מספיק להעשיר אורניום לדרגה של כ-5% (כלומר 95% אורניום 238 ו-5% אורניום 235). לכורי מחקר דרושה העשרה של 10%-20%. לנשק גרעיני דרוש בדרך-כלל אורניום מועשר לדרגה של 90% ויותר.

מהו פלוטוניום?

פלוטוניום הוא יסוד כבד מעט מהאורניום (יש לו 94 פרוטונים), אבל בשונה ממנו, הוא אינו קיים בטבע (חוץ מכמויות זערוריות ביותר הנוצרות באופן טבעי באורניום). בשנות ה-40 גילו מדענים שאפשר לייצר פלוטוניום בכור גרעיני, באמצעות הוספת פרוטונים לגרעיני אורניום. הפלוטוניום שיוצר שימש בפצצת הגרעין השניה שהטילה ארה”ב על יפאן במלחמת העולם השניה (הראשונה היתה פצצת אורניום).

מה הם מים כבדים?

כמו ליסודות רבים אחרים, גם למימן יש כמה איזוטופים. במימן רגיל יש בגרעין רק פרוטון אחד, בלי נייטרונים, והוא מהווה 99.99% מהמימן בטבע. יש מעט מאוד אטומי מימן עם נייטרון בגרעין (דאוטריום), ולפעמים אפילו עם שני נייטרונים (טריטיום). מולקולת מים מורכבת כאמור מאטום חמצן ושני אטומי מימן. אם רוב אטומי המימן במים הם דאוטריום, המים מכונים “מים כבדים”. למים הכבדים יש מגוון שימושים, אבל מבחינת ההקשר הרלוונטי לנו, הם מייעלים את התגובה הגרעינית. כמו שאמרנו, בתגובת השרשרת נפלטים שלושה נייטרונים בכל ביקוע של גרעין אורניום. רבים מהנייטרונים האלה מהירים מאוד, ויוצאים מתוך החומר הגרעיני בלי שחוללו כל תגובה. המים הכבדים מאטים אותם, ולכן תגובה שמתרחשת בתוך מים כבדים היא יעילה יותר (אפשר להשיג אותה אנרגיה עם ריכוז קטן יותר של חומר בקיע). כמו כן, למים כבדים יש תפקיד חשוב בתהליך ייצור פלוטוניום מאורניום.

מהי פצצת מימן?

בפצצת מימן מתרחש תהליך הפוך מזה של ביקוע גרעיני. לוקחים שני אטומי מימן, ודוחפים אותם כה קרוב זה לזה, עד שמתקבל גרעין של הליום. התהליך הזה, המכונה היתוך (או איחוי) גרעיני משחרר אנרגיה עצומה, גדולה עוד יותר מזו של ביקוע. ואולם, כדי לדחוף שני גרעינים כה קרוב זה לזה, צריך להשקיע כמות אנרגיה עצומה. לכן, פצצת מימן מתחילה בפיצוץ גרעיני “רגיל”, הנגרם מביקוע, והוא יוצר את תנאי החום והלחץ המאפשרים לבצע היתוך גרעיני.

איך כל זה קשור להסכם עם איראן?

ההסכם מתיר לאיראן להעשיר אורניום עד לדרגה של 3.67% (כלומר רחוק למדי מהדרגה הדרושה לייצור נשק), ומאלץ אותה לצמצם את מלאי האורניום המועשר לדרגה נמוכה שברשותה. כמו כן, איראן נדרשת להפחית את מספר הצנטריפוגות ולהסתפק באלה מהדור הישן. כל אלה צעדים שאמורים לפגוע ביכולת שלה להעשיר אורניום לפצצה. נקודה חשובה נוספת היא סוגיית הפיקוח על המתקנים הצבאיים. אין די בכמות מספקת של אורניום מועשר או פלוטוניום כדי לייצר פצצה. צריך לבנות מנגנון מורכב מאוד של חומר בקיע וחומר נפץ קונבנציונאלי, שיאפשר מצד אחד להחזיק בפצצה בביטחה, בלי שתתחיל בה תגובה גרעינית, ומצד שני לשלוט בדיוק רב בפיצוץ עצמו. את כל זה צריך להרכיב באריזה מתאימה לשימוש המתוכנן, כמו למשל ראש חץ של טיל בליסטי. את כל הניסויים בתחומים האלה עושה איראן לכאורה בתקנים צבאיים שאינם קשורים ישירות לתעשיית הגרעין.

יש לכם עוד שאלות? פנו אלינו: [email protected]