רוחות רפאים גרעיניות

מאת ג’סי אמספאק, הכתבה מתפרסמת באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל ורשת אורט ישראל 09.07.2017

השנה היא 2030. לאחר שנים ארוכות של התנצחויות, מסכימה הנהגת צפון־קוריאה להפסיק לייצר פלוטוניוםברמת העשרה של נשק גרעיני ולהשמיד את מאגרי הפלוטוניום הגרעיני שלה. גורמים רשמיים בממשל הצפון־קוריאני מזמינים פקחים לצפות בהעמסתו של הדלק הגרעיני הזה לתוך כור לשם המרתו לחומר שאי אפשר להשתמש בו כדי לייצר פצצות. ואולם, הצפון־קוריאנים מסירים בחשאי חלק מן הפלוטוניום ובמקומו, ממלאים את הכור באורניום ברמת העשרה נמוכה. האורניום פולט קרינה, לרבות חלקיקי נֵיטְרִינוֹ וחלקיקי אנטי-חומר המקבילים להם, אנטי-ניטרינו: חלקיקים תת־אטומיים חסרי מסה כמעט שאינם מזיקים, החודרים כרוחות רפאים אף דרך עופרת או סלע. הרשויות הבין־לאומיות חושדות שמדובר בתחבולה, ומחליטות לעקוב אחר הנעשה באמצעות מתקן שגודלו כגודל רכב שטח המוצב בסמוך לכור הצפון־קוריאני. בתוך כמה חודשים מתברר שאכן מדובר בתרמית, כפי שחושפת תבנית הפליטה של חלקיקי אנטי-ניטרינו המגיעים בשטף מן הכור.

תרחיש זה עשוי להפוך למציאות בשנים הקרובות, כשכלים המשמשים במחקר של פיזיקת חלקיקים ישמשו למאבק בתוכניות גרעין לא חוקיות. הצעה שהועלתה זה לא מכבר, ופרטיה הופיעו לאחרונה במאגר המקוון של מאמרים מדעיים בשלב קְדַם-פרסום, arXiv.org, מתארת את אופן הבנייה של גלאי חלקיקי אנטי-ניטרינו שבאמצעותו אפשר לקבוע, לאחר מעקב של כמה חודשים, האם דלק מועשר ברמת נשק גרעיני אכן מצוי בשימוש בכור.

הצורך בשיטות ניטור וגילוי כאלה נעשה דוחק עוד יותר לאחרונה. בשעה שצפון־קוריאה משכללת את טכנולוגיית הטילים שלה ואיראן מפתחת את יכולתה לקדם תוכנית נשק גרעיני משלה, אימות הופך לגורם מפתח. במארס 2017 קרא מזכיר המדינה האמריקני רקס טילרסון לאמץ “גישה שונה” לסיכול שאיפותיה הגרעיניות של קוריאה הצפונית, בציינו שלחץ דיפלומטי לבדו לא השיג את מטרתו.

חלקיקי אנטי-ניטרינו הם תוצר לוואי של ביקוע בכור גרעיני, שבו גרעין האטום של יסוד רדיואקטיבי, כגון פלוטוניום, מתפצל לחלקיקים קלים יותר. בסוג מסוים של רדיואקטיביות, המכוּנה קרינת בֵּטָא (או דעיכת בטא), נפלטים מגרעין האטום פוזיטרון וניטרינו או אלקטרון ואנטי-ניטרינו. האנטי-ניטרינו הוא האות המעיד על אופי הפעילות בכור, שכן רק היסודות הרדיואקטיביים בדלק גרעיני פולטים שטף של חלקיקי אנטי-ניטרינו בקצב קבוע.

פיקוח על תוכניות גרעין המבוסס על פליטת חלקיקי אנטי-ניטרינו עומד ביסוד פרויקט WATCHMAN, שמובילה ארה”ב. מתקן WATCHMAN מורכב ממיכל המכיל אלפי טונות של מים שבהם מומס היסוד גדוליניום, וביכולתו לגלות, מבחינה תיאורטית, פליטה של חלקיקי אנטי-ניטרינו מכור בלתי חוקי המצוי במרחק של עד 1,000 קילומטרים מן המתקן. קשה לפנות באופן דיפלומטי למדינה זרה הנזהרת מגלות את סודותיה ולבקש שתתיר לפקחים לבנות מכל מים ענק בקרבת מתקנים רגישים, מאובטחים היטב, ולכן נודעת חשיבות יתרה לאפשרות כזו של פיקוח וגילוי מרחוק.

כשאנטי-ניטרינו פוגע בפרוטון – גרעין מימן במולקולת מים במיכל הענק – הפרוטון מתפצל לנויטרון ולפוזיטרון. הפוזיטרון נע במהירות גבוהה כל כך עד שהוא פולט קרינה הקרויה קרינת צ’רנקוב, המקבילה האופטית של בום על־קולי, הנפלטת כשחלקיק טעון נע מהר יותר ממהירות האור בתווך כלשהו. שום גוף אינו נע בָּרִיק במהירות גבוהה ממהירות האור, אך בתווך אחר, כגון מים, זכוכית או אוויר, האור נע לאט יותר וגופים אחרים יכולים לנוע מהר יותר מן האור. וכך, פוזיטרון שמקורו בפגיעת אנטי-ניטרינו בפרוטון יוצר הבזק אור במיכל ה-WATCHMAN. בינתיים, אטומי גדוליניום במים “סופגים” את הנויטרון, תהליך שיוצר הבזק נוסף. הבזק כפול טיפוסי זה חושף את קיומו של כור גרעיני ואת הכיוון שבו הוא מצוי.

מתקן WATCHMAN יכול לגלות אם כור גרעיני פעיל והיכן הוא ממוקם, אך לא מהו התמהיל המדויק של הדלק: למשל, פלוטוניום או אורניום ברמת העשרה גבוהה. פטריק ג’פקה, פוסט-דוקטורנט העוסק במחקר במעבדה הלאומית האמריקנית לוס אלמוס ומחבר-שותף של ההצעה שהועלתה לאחרונה לבניית גלאי של חלקיקי אנטי-ניטרינו, מציע גרסה מוקטנת של הגלאי שיהיה אפשר להציבה בקרבת כור כדי לקבוע את סוג הדלק הגרעיני שבו על סמך ניתוח הפעילות של חלקיקי האנטי-ניטרינו. מודל הגלאי שמציע ג’פקה אמור למדוד את הספקטרום ואת הצורה של ההבזק הראשוני של קרינת צ’רנקוב ועל סמך ניתוח האנרגיה של הפוזיטרונים, לקבוע מהי האנרגיה של האנטי-ניטרינו המקורי. על פי תרשים התפלגות האנרגיה של הפוזיטרונים המזוהים, פקח המנטר את הנעשה בכור יוכל להעריך איזה חלק משטף חלקיקי האנטי-ניטרינו שנפלט מן הכור מגיע מסוג דלק מסוים בליבת הכור.

במקום מים, ג’פקה מציע להשתמש בפלסטיק או בפַּחְמימן אחר עתיר פרוטונים כדי להגדיל את הסיכויים להתנגשויות של חלקיקי אנטי-ניטרינו ולהקטין את ממדי המתקן בכמה וכמה סדרי גודל. גלאי כזה יהיה אפשר להציב במרחק של כמה עשרות מטרים מכור גרעיני.

ואם כי גלאי כזה יהיה קטן יותר, עדיין יהיה צורך להתמודד עם בעיית רעש הרקע. קרינה קוסמית, לדוגמה, יכולה ליצור נויטרונים הנראים דומים לאלה שמקורם בפעילות של חלקיקי ניטרינו. הטמנת גלאי חלקיקי האנטי-ניטרינו בעומק של חמישה עד עשרה מטרים מתחת לפני הקרקע, קרוב למדי לכור, עשויה לפתור את הבעיה, אומר סטיבן דייזלי מןהמעבדה הלאומית האמריקנית על שם לורנס ליוורמור, שהוביל ב-2016 ניתוח של בעיית רעש הרקע במתקן WATCHMAN. מיגון נוסף נגד קרינה יכול גם הוא להיות לעזר.

רעיונות אחרים לגבי מתקנים שזקוקים למיגון מועט בלבד או אינם זקוקים לו כלל הוצעו אף הם. צוותים אחדים ברחבי העולם העוסקים בפיתוח טכנולוגיות לגילוי חלקיקי ניטרינו ואנטי-ניטרינו למטרות מחקר פיזיקלי עשויים גם הם לסייע במציאת פתרונות.

“זה זמן רב [מדענים] מחפשים אחר שימוש מעשי לחלקיקי אנטי-ניטרינו,” אומר ג’פקה. “זה אחד היישומים הכי מגניבים” שלהם, שימוש בהם כדי לגלות דלק גרעיני שרמת ההעשרה שלו גבוהה דיה כדי לשמש כנשק. ונקווה שלעולם לא יימצא דלק גרעיני ברמת העשרה כזו.