קורס העשרה - כל מה שרציתם לדעת על אורניום ונשק גרעיני

מהו אורניום? 
אורניום הוא מתכת כבדה בצבע לבן כסוף. הוא קיים בטבע בצורת עפרות ומרבציו הגדולים בטבע נמצאים בארה"ב, קנדה, אוסטרליה ודרא"פ. אורניום הוא אחד היסודות הכבדים בטבע, ובכל אטום שלו יש בגרעין 92 פרוטונים (חלקיקים בעלי מטען חיובי). ואולם, כמו ביסודות רבים אחרים, מספר הנייטרונים בגרעין אינו אחיד. בצורתו הנפוצה ביותר יש בגרעין 146 נייטרונים. הצורה הזו, המכונה אורניום-238 (92 פרוטונים + 146 נייטרונים), היא היציבה ביותר והנפוצה ביותר בטבע. ואולם, 0.71% מהאורניום בטבע קיים בצורה אחרת – אורניום-235. לאיזוטופ הזה יש רק 143 נייטרונים בגרעין, והוא הרבה פחות יציב. אם במקרה מתווסף נייטרון אחד לגרעין, העסק פשוט קורס: הגרעין מתבקע, ולמעשה האורניום הופך לשני יסודות שונים (בריום וקריפטון). לכן, אורניום-235 מכונה גם חומר בקיע, משום שגרעינו מתבקע בקלות. 

מה היא תגובה גרעינית? 
כשגרעין של אטום מתבקע, משתחררת אנרגיה עצומה. נוסף על כך, משתחררים קרינה ושלושה נייטרונים מיותמים, שלא שייכים לאחר משני החומרים שנוצרו. אם יש בסביבה עוד אטומי אורניום-235, הנייטרונים האלה עלולים לפגוע בגרעין שלהם, לגרום להתבקעותם, וכך לגרום לשחרור של עוד נייטרונים וליצירת תגובת שרשרת. אם יש בסביבה מספיק אטומים בקיעים, עשוי להיווצר פיצוץ גרעיני. כמות החומר הבקיע הדרושה ליצירת פיצוץ כזה, מכונה "מסה קריטית". 

מהו אורניום מועשר? 
באורניום טבעי, יותר מ-99% מהאטומים הם אורניום-238 היציב, ורק 0.7% בערך הם חומר בקיע. כדי ליצור חומר היכול לשמש בתגובה גרעינית – בדלק או בפצצה – יש להגדיל את ריכוז האורניום-235, התהליך הזה מכונה העשרה. כשאנו מדברים למשל על אורניום מועשר ל-20%, הכוונה היא ש-20% מהאטומים בחומר הם אורניום-235. 

כיצד מעשירים אורניום? 
כדי להעשיר אורניום, צריך להפריד בין שתי הצורות העיקריות. מכיוון שההבדל היחיד בין שני סוגי האטומים הוא המסה שלהם (כלומר – המשקל), השיטה היעילה ביותר היא שימוש בצנטריפוגה – סרכזת. זו פשוט קרוסלה המסתובבת במהירות עצומה כך שהאטומים הכבדים יותר נדחקים רחוק יותר מהמרכז. ואולם, כדי להפריד אורניום בשיטה הזו, אי אפשר להשתמש במוצק, ויש להעביר את האורניום למצב של גז. מכיוון שאורניום טהור הופך לגז בטמפרטורה של כמעט 4,000 מעלות, יוצרים בד"כ תרכובת של אורניום עם פלואור (כן, החומר המגן על השיניים), המתאדה בטמפרטורה של כמה עשרות מעלות. ואולם, אורניום-פלואור היא תרכובת מאכלת ומסוכנת מאוד, ולכן יש לבנות את הסרכזות ממתכות מיוחדות. הבדלי המסה בין שתי צורות האורניום זעירים למדי (פחות מאחוז אחד), לכן הפרדה בצנטריפוגה אחת אינה מספקת. כדי לקבל העשרה ברמה גבוהה לוקחים את החומר המופרד מצנטריפוגה אחת, מעבירים או לצנטריפוגה אחרת, במהירות שונה מעט, וחוזרים על התהליך אלפי פעמים. לקיום תהליך יעיל דרושות אלפי סרכזות, במערך המכונה לעיתים קסקדה (cascade, כלומר - מפל). 

כיצד משמש אורניום להפקת חשמל? 
כמו שבתחנת כוח רגילה מפיקים אנרגיה מבעירה של דלקים, בתחנת כוח גרעינית משתמשים באופן דומה בחום הנוצר בתגובה גרעינית. כדי ליצור תגובה גרעינית להפקת חשמל, מספיק להעשיר את האורניום לדרגה של 3-5 אחוזים. כדי לייצר פצצה גרעינית, יש להעשיר את האורניום לדרגה של כ-90%. אורניום מועשר לדרגה של יותר מ-20%, נחשב למועשר ברמה גבוהה (ומוטלים עליו כללי פיקוח מחמירים יותר). 

מה זה פלוטוניום? 
פלוטוניום הוא יסוד כבד עוד יותר מהאורניום, וכמעט שאינו קיים בטבע. גם הגרעין שלו בקיע כמו זה של אורניום, והוא משמש בסוגים מסויימים של פצצות גרעין. כדי לייצר פלוטוניום, לוקחים אטומי אורניום, ומוסיפים לגרעין שלהם פרוטונים ונייטרונים בתהליך מיוחד (ומסוכן). 

מה הם מים כבדים? 
כמו שיש צורות שונות של אורניום, הנבדלות במספר הנייטרונים בגרעין, גם למימן יש צורות שונות כאלה. בגרעין הרגיל של מימן (כלומר, הצורה הנפוצה בטבע) אין שום נייטרון, אבל יש צורות של מימן שבגרעין שלהם יש נייטרון אחד, ואפילו שניים. מים כידוע מורכבים מחמצן ומימן, ואם הם מורכבים ממימן כבד יותר, הם נקראים מים כבדים. בשונה ממים רגילים, המים הכבדים כמעט אינם בולעים נייטרונים. לכן, ייצור הפלוטוניום מאורניום נעשה בתוך מים כבדים (התהליך צריך להתבצע במים משום שהוא פולט חום רב), כך יש סיכוי גבוה יותר שהנייטרונים ייקלטו בגרעין האורניום, ולא ייבלעו ע"י מולקולות מים. 

מה הם חומרים רדיואקטיביים? 
יש סוגים מסויימים של אטומים המועדים יותר מאחרים לעבור ביקוע ספונטאני. כלומר – הגרעין שלהם מתפרק מעצמו, בלי התערבות חיצונית. גם בתהליך הזה, כמו בביקוע חיצוני, משתחררת קרינה. בעת פיצוץ גרעיני, משתחררים נייטרונים רבים בעוצמה גבוהה מאוד, מערערים את היציבות של חומרים אחרים, והופכים גם אותם לרדיואקטיביים. גם אטומים הנוצרים מפירוק האורניום והפלוטוניום עלולים להיות רדיואקטיביים. כל החומרים האלה מכונים "נשורת גרעינית". פצצה המורכבת מחומרים רדיואקטיביים שאינם בקיעים (וחומר נפץ קונבנציונאלי) מכונה "פצצה מלוכלכת". היא אינה יכולה כמובן לחולל פיצוץ גרעיני, אבל עלולה לגרום לזיהום רדיואקטיבי מקומי, ובעיקר לזרוע בהלה רבה.