הסדרה צ’רנוביל, שבנתיים דורגה כסדרה הקצרה הכי טובה בכל הזמנים (דירוג 9.6 ב-imdb עד כה), משקפת בצורה ריאליסטית את מה שקרה בצ’רנוביל. לצד הביקורת הכה מדוייקת על תרבות הפחד הבירוקרטי בברה”מ, אשר היווה לדעתי את אחד הגורמים המהותיים להתפרקותה של ברה”מ בסופו של דבר, הסדרה גם מדברת בצורה די מדויקת על הפיזיקה של האסון – ושם אני רוצה להתמקד.
ההיכרות שלי עם האסון התחילה אי שם בשנת 2007, כשעשיתי קורס “דלק גרעיני”, כחלק מלימודיי לתואר מהנדס גרעין. עבודת הגמר הייתה על האסון, ואני מרגיש מספיק בנוח לכתוב על מה שקרה שם. הפוסט יהיה קצת טכני, אבל גם מותאם לקהל (הסקרן) הרחב, ויתכן שיהיו קצת אי-דיוקים לטובת קלילות הקריאה.
אמ;לק
הכור הוא בעצם סיר לחץ. מפעילי הכור עשו פאשלה, הכור לא תוכנן בצורה נכונה, המים רתחו בצורה מוגזמת, סיר הלחץ התפוצץ, החומרים שהיו בפנים התפזרו. לכו לראות את הסדרה.
איך פועל כור גרעיני?
תחנת כוח גרעינית איננה שונה מהותית מתחנת כוח המונעת על ידי פחם או גז. המטרה היא לחמם את המים, להפוך את המים לקיטור ובעזרת הקיטור לסובב טורבינה שהופכת את הסיבוב המכני לזרם חשמלי. ההבדל המהותי בין תחנת כוח גרעינית לתחנת כוח פחמית היא בדרך החימום של המים – בתחנת כוח פחמית שורפים פחם, ואילו בתחנת כוח גרעינית “שורפים” דלק גרעיני, המבוסס על אורניום או פלוטוניום.
אבל איך אורניום מחמם את המים?
בכור RBMK שהיה בשימוש בצ’רנוביל, הדלק העיקרי היה אורניום 235 (אורניום עם 92 פרוטונים ו-143 נויטרונים). כאשר נויטרון פוגע באטום U-235, הוא יכול להיבלע בגרעין, מה שהופך את הגרעין למאוד לא יציב. הגרעין מתפרק די מהר לשני אטומים חדשים, באופן אקראי. למשל, הוא יכול להתפרק לאטום של זהב (79 פרוטונים) ואלומיניום (13 פרוטונים), ביחד 92 פרוטונים.
תוך כדי ההתפרקות של אטום U-235, נפלטת המון אנרגיה – בין אם מדובר על אנרגיית קרינה או על אנרגיה קינטית של חלקיקים. כתוצאה מההתפרקות, נפלטים גם נויטרונים במהירות גבוהה מאוד – כ-7% ממהירות האור. חלקם פוגע באטומי אורניום אחרים, וככה בעצם נוצרת תגובת שרשרת. אם עבור כל נויטרון שנפלט, נוצר נויטרון אחד בדיוק, תגובת השרשרת תישאר באותה עוצמה כל עוד יש דלק בכור. אם עבור כל נויטרון שנפלט, יווצר פחות מנויטרון אחד, הכור יכבה. אם עבור כל נויטרון שנפלט, יווצר יותר מנויטרון אחד, תתחיל תגובת שרשרת שתפיק יותר ויותר אנרגיה, באופן אקספוננציאלי.
זה דומה לילודה בבני אדם. אם לכל הזוגות בממוצע יהיו בדיוק שני ילדים, כמות האנשים בעולם תישאר קבועה. אם לכל הזוגות יהיה פחות משני ילדים, כמות האנשים בעולם תפחת. מכיוון שבעולם שלנו, בממוצע לזוג יש יותר משני ילדים, אנחנו חווים התפוצצות אוכלוסין.
באורניום, כל נויטרון מייצר בין 2 ל-3 נויטרונים. מכיוון שאנחנו מעוניינים בתגובה מבוקרת, אנו רוצים שיווצר רק נויטרון אחד, וצריכים איכשהו להיפטר מהנויטרונים העודפים. הנויטרונים עצמם לא נעלמים – הם או יוצאים מהכור, או נבלעים בגרעין אורניום (ויוצרים תגובה נוספת) או נבלעים בגרעין אחר, שלא מתבקע כתוצאה מכך. בשביל לשלוט בכמות הנויטרונים הממוצעת, משתמשים בכל מני חומרים, כגון בורון או קדמיום. החומרים האלה נמצאים במוטות בקרה, שמפוזרים בין מוטות הדלק, ויכולים לנוע פנימה והחוצה מהכור. ככל שהמוט בקרה נמצא עמוק יותר בכור, ככה הוא בולע יותר נויטרונים ומאט את תגובת השרשרת.
מה שעוד מאט את הנויטרונים, שמואטים מ-7% ממהירות האור לכ-8 פעמים מהירות הקול, זה אטומי מימן (מים) ופחמן. בכל פעם שנויטרון פוגע באטום מימן, הוא מוסר חלק מהאנרגיה שלו. האנרגיה הזאת מחממת את המים בתוך הכור. המים האלה מחממים מים אחרים, שנמצאים במערכת נפרדת מהכור, שהצינורות שלה עוברים בתוך הכור – אלה בתורם הופכים לקיטור, מסובבים טורבינה ומפיקים חשמל.
מה היה כל כך מיוחד בכור RBMK?
הכור בצ’רנוביל היה מסוג RBMK. מדובר על עיצוב סובייטי של סוף שנות ה-60, תחילת שנות ה-70, בתקופה בה מדע הכורים היה עוד בחיתוליו. המים נכנסים מתחתית הכור, עולים למעלה בתעלות הכור, מתחממים, יוצאים מהכור והופכים לקיטור. העיצוב של הכור פשוט מאוד ומשתמש במים רגילים בשביל לקרר את כור, ומוטות גרפיט (פחמן) בשביל לשלוט על תפוקת הכור. כתוצאה מכך, ניתן להשתמש באורניום טבעי, ואין צורך להעשיר אורניום, תהליך מסובך ויקר.
כל זה איפשר לבנות כור עוצמתי וזול, ולספק המון אנרגיה לברה”מ. בתחנת הכוח צ’רנוביל פעלו ארבעה כורים, כל אחד יכל לספק 1,000 מגהוואט חשמל. רק בשביל לסבר את האוזן – כאשר הכור התפוצץ ב-1986, שיא הביקוש של החשמל בישראל היה קצת יותר מ-4,000 מגהוואט, כלומר תחנת הכוח בצ’רנוביל יכלה לספק את כל החשמל שישראל הייתה צריכה ב-1986.
אי אפשר לכבות כור גרעיני כמו שמכבים מנוע באוטו. הכור, גם כאשר מוטות הבקרה נכנסים עד הסוף, ממשיך לייצר חום – כי החומרים בו ממשיכים להתפרק. לכן, חייבים להמשיך לקרר את הכור גם כשהוא כבוי. בשביל כך, בכור RBMK ישנם גנרטורי דיזל, בשביל להמשיך להפעיל את משאבות המים, שיזרימו את המים ויקררו את הכור. לגנרטורים בהם השתמשו בצ’רנוביל, היה אמור לקחת כדקה להידלק ולהתחיל להפעיל את משאבות המים. הדקה הזאת מאוד חשובה, ולכן מתכנני הכור תכננו שהמשאבות האלה יופעלו בדקה זו על ידי הטורבינות הראשיות של הכור, תוך כדי שסיבובן דועך, עד שגנרטורי הדיזל יכנסו לפעולה.
הניסוי שהשתבש
את המנגנון הזה, של הפעלת המשאבות על ידי טורבינות שהפסיקו להיות מסובבות על ידי הקיטור, ומסתובבות רק מאנרציה, היה צריך לבדוק. מכיוון שזה לוקח ימים או אף שבועות להפעיל כור שכבה, אי אפשר היה לכבות את הכור. לשם כך, הניסוי כלל צימצום תפוקת הכור על ידי הכנסת מוטות הבקרה פנימה, כדי לנסות לדמות את המצב בו הכור מפסיק לייצר אנרגיה.
זה מה שהמפעילים בצ’רנוביל עשו – הם התחילו להנמיך את העוצמה של הכור, אבל אז התקבלה שיחה – אי אפשר לצמצם את צריכת האנרגיה למינימום, כי מדובר בסוף החודש, ואסור שהמפעלים, שצריכים את החשמל בשביל לעמוד במכסות שנקבעו על ידי המפלגה הקומוניסטית, יפסיקו לקבל אספקת חשמל.
הכור התחיל להיחנק. שלושה גורמים עיקריים גרמו להיחנקות הכור: הרעלת קסנון, חזרתם של המים למצבם הנוזלי, ומוטות הבקרה שהוכנסו לתוך הכור, כחלק מהניסוי.
סיבה 1: הרעלת קסנון
מפעילי הכור של משמרת הצהריים הבינו שהניסוי יצטרך להתבצע בלילה, כשהמפעלים לא יעבדו, והשאירו אותו לעבוד בעוצמה פחותה – במקום לדחות את הניסוי למועד מאוחר יותר. להחלטה הזאת הייתה חשיבות מכרעת באסון. אחד החומרים שנוצרים בכור הוא קסנון 135 (Xe-135), והחומר הזה סופג נויטרונים בצורה מעולה. אם יהיה יותר מדי Xe-135 בכור, הכור לא יצליח לקיים תגובת שרשרת, ויכבה. לזה קוראים הרעלת קסנון. כאשר הכור עובד בעוצמה הרגילה, כמות Xe-135 מגיעה לשיווי משקל מסוים, מה שמאפשר לכור לעבוד. ה-Xe-135 מופיע רק כ-6 שעות לאחר שהנויטרון יצא מאורניום, והמשמעות של זה היא שלמרות שמנמיכים את עוצמת הכור, במשך ה-6 שעות הבאות כמות ה-Xe-135 שתיווצר תהיה לפי העוצמה שהכור פעל בה עד אז. ריכוז ה-Xe-135 בכור הלך ועלה במהלך השעות האלה.
כאשר התחלפה המשמרת בחצות, הטכנאים שהפעילו את הכור והתחילו את הניסוי, המשיכו להוריד את העוצמה של הכור, אבל פתאום העוצמה של הכור התחילה ליפול באופן חד. הם לא היו מודעים לכך שבכור הצטבר יותר מדי Xe-135, אשר האט את יצירת הנויטרונים בצורה מאוד משמעותית, ונקודת שיווי המשקל השתנתה באופן דרמטי.
סיבה 2: המים כבר לא רתחו
בנוסף, מכיוון שעוצמת הכור הונמכה ולאחר מכן נפלה באופן פתאומי עקב הרעלת קסנון, המים הפסיקו לרתוח. צפיפות המים גבוהה יותר מאשר צפיפות קיטור, ומכיוון שמים גם עוצרים נויטרונים, הם גם התחילו לחנוק את הכור.
סיבה 3: מוטות הבקרה
מוטות הבקרה הוכנסו לתוך הכור עוד במשמרת הקודמת, וגם הם עצרו את הנויטרונים. המוטות האלה עשויים מגרפיט באורך של 4.5 מטר, ותרכובת של בורון ופחמן שסופגת נויטרונים בצורה טובה.
בשלב זה, העוצמה של הכור נפלה כמעט לאפס.
מפעילי הכור מנסים למנוע את כיבויו, ומפוצצים אותו
בשלב הזה המהנדס שהיה אחראי על הניסוי, נלחץ שהוא הולך לכבות את הכור, והורה להוציא את מוטות הבקרה החוצה בשביל להגדיל את שטף הנויטרונים. מתוך סה”כ כ-200 מוטות בקרה, נשארו בתוך הכור רק כ-8.
הטורבינות האטו, והמים בתוך הכור לא הוזרמו מספיק מהר. הם התחילו לרתוח, מה שהוריד את צפיפותם, ויכולת ספיגת הנויטרונים שלהם פחתה באופן משמעותי. התחיל תהליך שמזין את עצמו: המים התחממו עוד ועוד כתוצאה מהנויטרונים, מה שגרם לצפיפות שלהם לרדת, מה שגרם ליותר נויטרונים להיפלט וחוזר חלילה. לתופעה הזאת קוראים “מקדם ריק חיובי” – כלומר, ככל שיש פחות מים בכור, ככה יש יותר ויותר נויטרונים.
במקביל, שטף הנויטרונים החל לפרק את הקסנון, מה שגרם לאחר זמן מה, לביטול הרעלת הקסנון.
ההספק של הכור קפץ מאוד מהר, ומפעילי הכור לחצו על כפתור עצירת חירום. הכפתור הזה היה אמור להפעיל הכנסה מהירה של מוטות הבקרה חזרה לתוך הכור. הבעיה שההכנסה הזאת לא הייתה מהירה מספיק, לפי התיכנון – רק כ-40 סנטימטר בשניה. אורך הכור היה קצת יותר מ-7 מטר, כלומר נדרשו כ-18 שניות בשביל להכניס את מוטות הבקרה חזרה עד הסוף. בגלל המבנה של המוטות, עוצמת הכור קפצה לזמן קצרצר, הלחץ של המים עלה בצורה משמעותית והתחולל הפיצוץ הראשון, בו שוחרר הקיטור לאוויר המבנה.
לאחר מספר שניות התחולל הפיצוץ השני. רוב המדענים מאמינים שהפיצוץ נגרם כתוצאה מכך שמחימום יתר של המים, המים התפרקו למימן וחמצן (תופעה המתחילה להתרחש ב-2,200 מעלות צלזיוס), שני חומרים נפיצים ביותר, אשר גרמו לפיצוץ אדיר.
הכור תוכנן לעבוד בהספק חום של כ-3,200 מגהוואט. השעון שמודד את ההספק קפא ב-33,000 מגהוואט – פי 10. לפי החישובים שנעשו במערב אחרכך, מניחים שהספק הכור רגע לפני הפיצוץ הגיע ליותר מ-300,000 מגהוואט – כמעט פי 100 מההספק הנורמלי של הכור.
בעקבות הפיצוץ, חלק מהתוכן הרדיואקטיבי של ליבת הכור התפזר על שטח מאוד גדול, ונישא באוויר למרחקים עצומים, כולל אירופה וישראל.
למה אנחנו עדיין משתמשים באנרגיה גרעינית?
האסון בצ’רנוביל הוא תוצר של תפעול רשלני של כור שתוכנן בצורה לקויה ולא מספיק בטיחותית, בסביבה בירוקטית איומה. מאז הוכנסו שיפורים משמעותיים לכורי ה-RBMK הקיימים. כרגע בעולם נשארו עוד 10 כורי RBMK פעילים, כולם ברוסיה – שלושה בסיינט פיטרבורג, שלושה בסמולנסק וארבעה בקורסק. כל הכורים האלה צפויים לסיים את תפקידם במהלך ה-15 השנים הקרובות.
הכורים החדשים יותר, מאוד בטיחותיים. למעשה, אנרגיה גרעינית היא האנרגיה הכי בטוחה שבנמצא. אחד המדדים הוא מספר מקרי המוות פר יצירת טרהוואט שעה חשמל. באנרגיה הגרעינית המספר הזה הוא 0.07, ואפילו בגז טבעי שנמצא במקום השני, מספר מקרי המוות גבוה פי 40.
בהיסטוריה של האנרגיה הגרעינית, היו שלוש תאונות גדולות – אי שלושת המיילים, צ’רנוביל ופוקושימה. הראשון טופל מבלי שמישהו נפגע. בפוקושימה התמודדו עם אסון טבע בעוצמה חריגה ביותר, והכור החזיק מעמד ברובו. בעקבות האסון, בוצעה סדרת שיפורים לכל הכורים בעולם, כדי שיוכלו להתמודד גם עם אסון טבע בסדר גודל שפקד את פוקושימה. האנושות מפיקה חשמל דרך אנרגיה גרעינית כבר כשש עשורים, והסיכוי לתאונות גרעיניות הולך וקטן, כשהיתרונות של האנרגיה הגרעינית עולים על החסרונות, במיוחד לאור האלטרנטיבות.
החיסרון הכי גדול של האנרגיה הגרעינית הוא תדמית לא טובה, ועל זה נוכל להתגבר רק באמצעות הפצת ידע.
אהבתם? נהנתם? אתם בעד או נגד אנרגיה גרעינית? אשמח אם תגיבו.