אין ספק ששובר הקופות "אופנהיימר" החזיר הקיץ לשיח את נושא הגרעין. בסרט, שעוסק בדמותו המורכבת של אבי פצצת האטום, מוצגות מערכות יחסים טעונות באגו ובמשחקי כוחות על רקע מסע החימוש הגרעיני של ארצות הברית נגד הנאצים בזמן מלחמת העולם השנייה. אך הנושאים העיקריים בו הם הבחירות שאנחנו עושים וההשלכות שבאות אחריהן – כמו גם אופן השימוש במדע חדש ופורץ דרך שיכול להוביל לגילויים מדהימים, אך גם להרס וחורבן.
וכזאת היא הטכנולוגיה הגרעינית. אזכור שמה מתקשר מיידית לפצצות אטום ולאיום הגרעין האיראני – אך מנגד, שימוש אחראי בה מאפשר ייצור של חשמל נקי וירוק יותר. מאז הניסוי הגרעיני הראשון שביצעו הפיזיקאי היהודי-אמריקאי ג'יי. רוברט אופנהיימר וצוותו בניו מקסיקו בקיץ 1945, הטכנולוגיה ראתה התפתחות רבה, במישור המלחמתי – אבל גם באזרחי.
מהירושימה עד צ'רנוביל
אנרגיה גרעינית, בין אם היא משמשת לצרכי מלחמה או לצרכי שלום, מתחלקת לשני סוגים: ביקוע גרעיני והיתוך גרעיני. הביקוע הוא הסוג המוכר יותר, והוא היחיד שנעשה בו שימוש של ממש בפועל עד כה.
מנגנון הפעולה של פצצות האטום שארצות הברית הטילה על הערים הירושימה ונגסאקי, ושהביאו לכניעתה של יפן במלחמת העולם השנייה, מבוססת על תהליך פיזיקלי טבעי שמתרחש בגרעיני אטומים כבדים (כלומר, שבהם כמות גדולה של פרוטונים ונייטרונים) – ובראשם אורניום ופלוטוניום. כשחלקיק נייטרון נורה על גרעין אטום כזה, הגרעין מתפצל (מתבקע) לגרעיני אטומים קלים וקטנים יותר. בביקוע משתחררים נייטרונים נוספים – שגורמים לביקוע של גרעיני אטום כבדים נוספים, בתגובת שרשרת שבה משתחררת אנרגיה בכמות אדירה בפיצוץ רחב היקף.
בניגוד לשימוש המלחמתי, בכורים גרעיניים אזרחיים אורניום שמבוקע בתהליך מבוקר משמש לייצור חשמל. האנרגיה שמשתחררת בזמן התהליך משתמשת לחימום מים, שרותחים והופכים לקיטור בלחץ גבוה – שמניע את הטורבינות שמייצרות חשמל.
טכנולוגיית ייצור החשמל מביקוע גרעיני קיימת ופועלת מזה עשרות שנים, אך אין ספק שלרבים יש דעה שלילית לגביה – בין היתר בעקבות התרחשותם של מספר אסונות גרעינים קשים, ובראשם אסון צ'רנוביל מ-1986.
לדברי ד״ר דניאל מדר, חוקר ויועץ מדעי וממייסדי חברת SP Interface, דעה זו נובעת מטראומה ומחוסר ידע. ״כיום, כורים אטומיים הם בטיחותיים יותר בהרבה מאשר המבנה המיושן שבו הוקם הכור בצ׳רנוביל״, הוא אומר.
הכורים הגרעיניים של העתיד
אין ספק שהכורים הגרעיניים האזרחיים עברו שינויים טכנולוגיים במרוצת הזמן. בכורים הקיימים עדיין משתמשים במים לצורך ייצור הקיטור, לקירור האורניום לצורך מניעת תאונות ולהאטת הנייטרונים לטובת יצירת ביקוע מבוקר. עם זאת, מיעוט מהכורים עובדים עם נוזלי קירור אחרים, כמו מתכת נוזלית, ושיטת הביקוע שלהם נקראת ״ספקטרום מהיר״ (Fast spectrum) – שיטה שבה נעשה שימוש בנייטרונים מהירים ויעילים יותר. בניגוד לקיטור, נוזלי הקירור הללו מאפשרים למערכת לפעול בלחץ נמוך, כך שאין סכנה לפיצוץ המתקן.
כורים אחרים שפועלים כיום עובדים על טכנולוגיות שבהן העשרת האורניום (כלומר, הגדלת ריכוז ה- U235 – איזוטופ האורניום שבו יש 235 נייטרונים ופרוטונים בגרעין, במקום האיזוטופ השכיח שבו יש 238 נייטרונים ופרוטונים בגרעין ושלא מאפשר את יצירת תגובת השרשרת הגרעינית) היא משמעותית יותר – עד מצב שבו 20 אחוז מהאורניום הוא מועשר, במקום 5 אחוזים כפי שמקובל בתחום (בנשק גרעיני ריכוז ה-U235 גבוה בהרבה, ועומד על כ-90 אחוזים).
קטגוריה חדשנית אחרת היא כורים קטנים ואף מיקרו-כורים. בעוד כור גרעיני רגיל יכול להפיק כ-1,000 מגה-וואט, כורים קטנים יפיקו 200-50 מגה-וואט והמיקרו-כורים 30-1 מגה-וואט. השאיפה היא שכורים אלו יאפשרו אספקת אנרגיה נקודתית עבור ערים, עיירות ומקומות מרוחקים, תוך ביזור רשת האנרגיה והעלאת החוסן האנרגטי שלה.
כיום, הבעיה הסביבתית העיקרית של טכנולוגיית הביקוע היא הפסולת הגרעינית והחומרים הרדיואקטיביים שנוצרים במהלך חיי הכור. עד כה, כמעט אף מדינה לא יישמה פתרון ארוך טווח לבעיה זו, והרוב המוחץ של הפסולת הגרעינית בעולם מאוחסנת באתרי אחסון זמניים (בחלקם כבר עשרות שנים). הדבר מעסיק חברות שונות, כמו Zeno Power האמריקאית. הטכנולוגיה שהיא פיתחה מייצרת מהפסולת הגרעינית מקורות כוח קטנים. נאס״א אף עשתה שימוש בטכנולוגיה שכזו במשימות החלל שלה Voyager ו-New Horizon.
מדינה אחת שכן לקחה על עצמה לטפל בבעיה זו היא פינלנד: לפני שנה נחנך בה אתר הפסולת הרדיואקטיבית ארוך הטווח הראשון בעולם. ״פינלנד היא היחידה שיש לה כרגע מנהרות עמוקות שנכרו באזורים יציבים גיאולוגית, שם אפשר לאחסן את הפסולת במשך מאה אלף שנה בלי שתהיה סכנת דליפה״, אומר מדר.
כך או כך, לפי מדר, הנזק כתוצאה משימוש בדלקי מאובנים (פחם, נפט וגז טבעי) גדול לאין שיעור מכל קושי, סיכון או פסולת שנוצרים עקב טכנולוגיית הביקוע הגרעיני האזרחית. ״הטכנולוגיה הזו נקייה הרבה יותר מדלקי מאובנים, שמצריכים כריית משאבים עצומה וששריפתם פולטת מזהמים רבים״, הוא אומר. ״באסון צ׳רנוביל נהרגו כ-3,000 איש, אם זה באופן ישיר מהפיצוץ או באופן עקיף מהקרינה בשנים לאחר האסון. זיהום אוויר שנגרם כתוצאה משריפת דלקי מאובנים, לעומת זאת, גורם למותם של מעל 2,000 איש בישראל ולא פחות מ-4 מיליון איש ברחבי העולם בכל שנה ושנה. אנחנו מקבלים את הנזקים העצומים הללו בשוויון נפש, כי אנחנו רגילים לטכנולוגיות האלו – ומקרי המוות לא מלווים בדיווחים דרמטיים בחדשות״.
ליצור את השמש בכדור הארץ
כאמור, ביקוע אטומים הוא לא הדרך היחידה לייצר אנרגיה גרעינית בקנה מידה גדול – היא יכולה להיווצר גם בתהליך הפוך, שנקרא היתוך גרעיני. לשם כך, על שני אטומים של מימן – שהוא היסוד הקל ביותר, ושבכל אטום שלו יש פרוטון אחד בלבד – להיות בטמפרטורה, צפיפות ולחץ גבוהים מאוד. בתנאים אלה, האטומים מתנגשים זה בזה בעוצמה אדירה – ומתמזגים לכדי אטום אחד של הליום (שבו שני פרוטונים). בהיתוך זה משתחררת אנרגיה בכמות אדירה – גדולה הרבה יותר מזו שמשתחררת בתהליך הביקוע.
תהליך ההיתוך הוא מנגנון שמתרחש בליבתם של כוכבים, כמו השמש שלנו: הלחץ והחום האדיר ששוררים בתוך ליבת הכוכב המאסיבי גורמים להיתוך של אטומי ההליום שנעים בתוכה. למעשה, תהליך זה הוא שמייצר את אורה וחומה הכה-קריטיים של השמש.
פצצות מימן, שמבוססות על היתוך גרעיני, נזכרת גם היא בסרט, שבו מוצגת דמותו של הפיזיקאי אדוארד טלר, שנודע לימים בכינוי ״אבי פצצת המימן״. פצצות אלה מסוגלת להרוג פי 1,000-100 יותר בני אדם מאשר פצצת הביקוע. למזלה של האנושות, הן לא הופעלו מעולם במלחמה – אלא רק בניסויים כדוגמת ״הצאר בומבה״: פצצה שהטילה רוסיה בשטחה הימי ב-1961 ושנחשבת עד היום לפיצוץ הגדול שאי-פעם נגרם על ידי האדם. מאז נחתמו איסורים בינלאומיים על ניסויים גרעיניים, ועדיין, מדינות שונות בעולם, כמו ארצות הברית – ועל פי פרסומים זרים גם ישראל – מחזיקות בפצצות מימן.
כור גרעיני בגודל של מכולה
בעשורים האחרונים, מיזמים שונים ברחבי העולם מנסים ליצור היתוך גרעיני גם במעבדות, כדי לרתום את הכוח האנרגטי האדיר הזה לטובת ייצור חשמל נקי, שלא פולט מזהמים.
אחד המיזמים האלה הוא הסטארט-אפ הישראלי nT-Tao. לדברי מייסדו, תא״ל (מיל') עודד גור-לביא הדרך היחידה לעשות מיזוג גרעיני היא על ידי סיר מגנטי, שבו יש שדות מגנטיים שיוצרים לחץ ושמחזיקים את כדור גז המימן הלוהט במקומו. הדרך הרווחת לחימום הסיר, שמשמשת גם במוצר של nT-Tao , היא באמצעות גלים אלקטרומגנטיים שמעבירים אליו אנרגיה בהספקים גבוהים של מאות מגה-וואט בזמנים קצרים יחסית. ״בתוך המכל המגנטי יש מיקרוגרם של גז מימן, ובאמצעות חימום הדרגתי אפשר להביא אותו לטמפרטורה של מאה מיליון מעלות. האנרגיה שנפלטת מהתהליך מאפשרת להפיק קיטור, וממנו חשמל״, אומר גור-לביא. שיטת ההיתוך שפיתחה nT-Tao עובדת במתקן קטן בגודל של מכולה, מה שמאפשר להציב אותה כמעט בכל מקום – ובכך ליצור מצב של מקורות אנרגיה רבים ומפוזרים, מה שיתרום להעלאת הביטחון האנרגטי.
מיזם היתוך אזרחי מעניין אחר הוא הניסוי האמריקאי במתקן NIF) National Ignition Facility), שמתמקד בשיטת חימום באמצעות לייזרים. כבר בדצמבר האחרון נרשמה פריצת דרך כשהמדענים הצליחו להשיג רווח אנרגטי, לראשונה בתולדות הטכנולוגיה. זאת באמצעות ירייה מהירה באמצעות לייזר על אטומי המימן באנרגיה של 2.05 מגה-ג׳ול, וכך יצירת היתוך שהצליח להפיק אנרגיה בכמות של 3.15 מגה-ג'ול – כלומר, יותר אנרגיה ממה שהושקעה בו. ביולי האחרון החוקרים ביצעו את התהליך בשנית, בניסוי שתוצאותיו טרם פורסמו, ולדבריהם הם הצליחו להפיק אנרגיה רבה יותר מאשר בניסוי הקודם.
מיזם נוסף הוא ITER – שיתוף פעולה בין 35 מדינות שהחל ביוזמת ארצות הברית ורוסיה, ששיטת ההיתוך שלו מבוססת על דיטריום וטריטיום – שני איזוטופים של מימן (כלומר, מימן שבו מספר הנייטרונים שונה) שנמצאו כיעילים ביותר להפקת אנרגיה. הכור, שממוקם בדרום צרפת, עתיד להתחיל לעבוד ב-2025. עם זאת, לפי פרסומים אחרונים נראה שהניסוי מתעכב, ומועד פתיחת הכור נדחה לזמן לא ידוע.
אל תחכו לגרעין
אחד היתרונות הבולטים של ההיתוך הגרעיני הוא הבטיחות הרבה של הטכנולוגיה בהשוואה לביקוע האורניום. בניגוד לביקוע, היתוך גרעיני לא פולט פסולת גרעינית או קרינה רדיואקטיבית בכמות משמעותית. "מעבר לכך, בביקוע, הנייטרונים שמשתחררים בתהליך ממשיכים לפלוט אנרגיה – ואם יש תקלה בקירור הדבר יכול לגרום לפיצוץ ולהתכה של הכור, כמו שקרה באסונות בצ׳רנוביל ובפוקושימה", אומר מדר. בהיתוך, לעומת זאת, ברגע שמפסיקים לחמם את אטומי המימן הם מתקררים, הלחץ יורד והתהליך מפסיק.
עם זאת, כמו לכל טכנולוגיה חדשה, גם להיתוך הגרעיני יש מגבלות. ״בניגוד לביקוע הגרעיני, שאנחנו מכירים ומשתמשים בו כבר מעל 60 שנה, בהיתוך עדיין לא נעשה שימוש מסחרי״, אומר מדר. ״היתוך הוא מסובך יותר, והוא דורש תחזוק רציף של טמפרטורה ולחץ גבוהים. עדיין לא הצלחנו לעשות זאת בקנה מידה גדול מחוץ למעבדה, ובאופן שבו האנרגיה שמופקת גדולה יותר מהאנרגיה שמושקעת בתהליך״.
לדברי מדר, היתוך גרעיני הוא תחום מחקר חשוב – אבל עדיין עתידני. ״גם אם מייצרים היום מתקן שיודע לעשות את התהליך הזה – ושמצליח להפיק יותר אנרגיה מזו שהושקעה בו, מה שלא קרה עדיין בקנה מידה משמעותי – מרגע הקמת הפיילוט ועד שיגיע הרגע לייצוא הטכנולוגיה באופן מסחרי יכולות לעבור עשרים שנה״.
לכן, לפי מדר, אנחנו לא יכולים להמתין עד להבשלתה של הטכנולוגיה – ועלינו להשתמש בטכנולוגיות נגישות וזולות שזמינות לנו כבר כעת, כמו פאנלים סולאריים (בשילוב סוללות אגירה). ״האנרגיה הסולארית היא הזמינה ביותר עבורנו כאן בארץ; במקום להמשיך את התלות של ישראל בדלקי מאובנים ובגז טבעי מזהם, עלינו לעבור בהקדם לאנרגיות ירוקות אחרות״, הוא מסכם.
