ביקוע גרעיני

תיאור פיזיקלי

גרעינים של יסודות כבדים אינם יציבים כמו אלה של יסודות קלים יותר. הכוח שמחזיק ביחד את הנוקליאונים (הפרוטונים והנייטרונים) בגרעין הוא כוח קצר טווח, הכוח הגרעיני, שעוצמתו דועכת בחדות מעל מרחק של כ־2 פמטומטר. זאת, לעומת הכוח האלקטרומגנטי שהטווח שלו אינסופי וגורם לדחיה בין הפרוטונים בגרעין. בגרעינים כבדים, הדחיה החשמלית מתגברת על המשיכה של הכוח קצר הטווח, והם מתפרקים. ההתפרקות הנפוצה היא התפרקות אלפא, בה נפלט מהגרעין המקורי גרעין של חלקיק אלפא, שהוא גרעין של האיזוטופ הליום־4. אולם לעיתים, ובמיוחד בגרעינים כבדים במיוחד, ההתפרקות היא יותר דרמטית, ובה הגרעין הכבד מתפרק לשני גרעינים קלים יותר (המכונים "תוצרי ביקוע") ולמספר נייטרונים. תהליך כזה מכונה ביקוע גרעיני. 
היציבות הגדולה יותר של התוצרים, משמעותה היא שהם נמצאים בסך הכל במצב אנרגטי נמוך יותר, שמתבטא (על פי עקרון שקילות האנרגיה והמסה - E=mc²) במסה קטנה יותר של התוצרים. האנרגיה העודפת שונה במקצת בהתאם לגרעין המתבקע ולתוצרי הביקוע, אך עומדת על כ־200 MeV, כלומר כאלפית מהמסה של הגרעין (כשהיא מתורגמת לאנרגיה). אנרגיה זו נפלטת הן כאנרגיה קינטית של התוצרים השונים, והן כקרני גמא.
ביקוע גרעיני יכול להתרחש באופן ספונטני. אולם החשיבות של התופעה היא התרחשותה כתוצאה מפגיעה של נייטרון בגרעין. הנייטרון נבלע בגרעין, והופך אותו לאיזוטופ אחר, בעל מספר מסה גבוה יותר, ובדרך כלל לא במצב היסוד אלא במצב מעורר. עבור גרעינים מסוימים לגרעין מעורר זה יש סיכוי גבוה להתפרק בביקוע גרעיני. החשיבות של הביקוע כתוצאה מפגיעת נייטרון היא מכיוון שבכל ביקוע נפלטים עוד נייטרונים, הם בעצמם יכולים לגרום לביקוע דומה בגרעינים אחרים, וכן הלאה. תופעה זו נקראת תגובת שרשרת גרעינית.

חומר בקיע

ישנם איזוטופים כבדים רבים (כבדים מרדיום) שיכולים לעבור ביקוע כתוצאה מפגיעה של נייטרונים מהירים. אולם עבור רובם, האנרגיה הקינטית של נייטרון הדרושה לשם כך שיהיה סיכוי גדול ומשמעותי שהוא יבקע את הגרעין גבוהה מהאנרגיה הממוצעת שיש לנייטרון שנפלט בביקוע. לכן בחומרים כאלה לא יכולה להתפתח תגובת שרשרת גרעינית, והם אינם נחשבים לחומרים בקיעים.
יש מספר איזוטופים בהם יש סיכוי משמעותי שגם פגיעה של נייטרון שנפלט בביקוע יגרום בעצמו לביקוע נוסף. איזוטופים אלה נקראים איזוטופים בקיעים, והם החומר החיוני בכל מתקן גרעיני.
תכונה חשובה של איזוטופים אלה היא שהסיכוי לביקוע שלהם גדל עוד יותר (בכשלושה סדרי גודל) עבור נייטרונים איטיים, שהאנרגיה שלהם נמוכה משמעותית מהאנרגיה שיש לנייטרונים שנפלטים בביקוע. בגלל זה בכורים גרעיניים משתמשים בחומרים מאיטי נייטרונים, כמו מים כבדים או גרפיט על מנת להגביר את תגובת השרשרת.
איזוטופים בקיעים מאופיינים במספר אטומי זוגי, ומספר מסה אי זוגי. החומר הבקיע היחידי שנמצא בטבע בכמויות משמעותיות הוא אורניום-235. חומר בקיע נפוץ נוסף הוא פלוטוניום־239 שמסונתז באופן מלאכותי מאורניום־238, ויש שימוש גם ב־אורניום 233, שמסונתז גם הוא באופן מלאכותי.

היסטוריה

בשנות ה־30 של המאה ה־20 החלו מדענים שונים (בעיקר אנריקו פרמי, אירן ופרדריק ז'וליו־קירי) לבצע ניסויים של "הפצצת" אורניום בנייטרונים, מתוך תקווה לבנות באופן כזה את היסוד ה־93 (רעיון שהתממש בסוף, אך מאוחר יותר). במהלך ניסויים אלה התגלה, שנוצרים באורניום כתוצאה מ"הפצצה" כגון זו כל מיני יסודות שונים, אך כולם אינם היסוד ה־93, אלא יסודות מוכרים מאמצע הטבלה המחזורית, כגון לנתן, ברום, קריפטון, טלור וכדומה. תוצאות אלה נראו מוזרות, והנסיינים תירצו אותן בכך שאלה אינם היסודות האלה, אלא היסודות הרדיואקטיביים הדומים להם מבחינה כימית.
במהלך 1937 חזרו על ניסוי זה המדענים הגרמניים אוטו האן ופריץ שטרסמן. הם גילו ופרסמו, שבעת הפגזה של אורניום על ידי נייטרונים נוצר בו איזוטופ רדיואקטיבי של היסוד בריום. מכאן הסיקה מנחתם הגולה ליזה מייטנר, יחד עם אחיינה אוטו פריש, שחדירת הנייטרון הנוסף לגרעין איזוטופ האורניום מערערת את יציבותו, עד שהוא מתפלג למספר גרעינים קטנים יותר. פריש טבע את המונח fission process ("תהליך ביקוע") בהשראת המונח Binary fission (בעברית פליגה) המתאר התחלקות תאים פרוקריוטיים.
עד מהרה החדשות הגיעו לארצות הברית - דרך הפיזיקאי הדני נילס בוהר, ותוך ימים מספר התכנסה בוושינגטון ועידה של פיזיקאים תאורטיקנים בנושא ביקוע האורניום. בוועידה זו השתתף גם אנריקו פרמי, אשר בשיחה עם בוהר העלה את ההשערה כי במהלך הביקוע עשויים להיפלט נייטרונים נוספים, ועל ידי כך יכולה להיווצר תגובת שרשרת גרעינית.
בתקופת מלחמת העולם השנייה נערכו מחקרים רבי־היקף על הביקוע הגרעיני, הן לצורך יצירת תגובת שרשרת מבוקרת (שעליה פועל כור גרעיני) והן לצורך יצירת תגובת שרשרת לא מבוקרת (שעליה מבוססת פצצת אטום). מחקרים אלה נודעו בשם הכולל פרויקט מנהטן, והם אכן השיגו את מטרותיהם: ב־1942 הופעל הכור הגרעיני הראשון בתולדות האנושות, וב־16 ביולי 1945 פוצצה פצצת האטום הראשונה בהיסטוריה, במסגרת "ניסוי טריניטי". פחות מחודש לאחר מכן, ב־6 באוגוסט 1945, נעשה בפעם הראשונה שימוש בפצצת אטום לצרכים מלחמתיים, כשהפצצה שכונתה "ילד קטן" הוטלה על העיר הירושימה ביפן.

שימושים

ביקוע גרעיני הוא תגובה אנרגטית מאוד - כל ביקוע משחרר כמה מאות מא"ו עבור כל אטום מבוקע, לעומת כמה עשרות א"ו עבור כל תגובה יחידאית של חמצון, כגון בשריפה או פיצוץ של TNT. משום כך, מאז שהתגלה הביקוע הגרעיני והאפשרות לתגובת שרשרת של ביקועים, נעשה שימוש באנרגיית הביקוע, הן לצורכי מלחמה (פצצת אטום) והן לצורכי שלום (כור גרעיני).
נוסף על כך שהביקוע הגרעיני הוא אנרגטי יותר מחמצון ושריפה, יש לו יתרונות נוספים על פני שריפת דלק מאובן: בעת ביקוע גרעיני נוצרת אנרגיה ללא פליטת פחמן דו-חמצני, שהוא גז חממה, ולאורניום, בניגוד לפחם או לנפט, אין שימושים אחרים העשויים להביא לייקור מחירו. ברם, למרות יתרונות מפתים אלה, לדלק הגרעיני חסרונות גדולים בתחום הבטיחות: תאונה בכור גרעיני כמו זו שקרתה בצ'רנוביל או כמו זו שכמעט קרתה באי שלושת המילין עלולה להביא לזיהום רדיואקטיבי ולגבות רבבות קורבנות בסביבה עצומה סביב המוקד. בעיה נוספת בהפעלתם של כורים גרעיניים היא בעיית תוצרי הביקוע, שהם חומרים רדיואקטיביים מאוד, אשר לא מתפרקים במשך אלפי שנים: הדרך היחידה להיפטר מהם באופן בטוח היא לקבור אותם בפירים עמוקים בבטן האדמה, בעומק של כמה מאות מטרים, בתוך סלע קשה ובקופסאות אטומות, כדי שהחומרים הרדיואקטיביים לא ידלפו החוצה ולא יזהמו את הקרקע או את מי התהום. בשל חסרונות אלה השימוש בדלק גרעיני עדיין אינו גורף, והוא מהווה מושא לדיון ציבורי נוקב.
בשנת 1993 הוצע סוג חדשני של תחנת כוח גרעינית, בה משולבים מאיץ חלקיקים וכור גרעיני תת־קריטי. תחנת כוח מסוג זה, הנקראת מגבר אנרגיה, צפויה להיות נקייה, בטוחה וזולה לתפעול. זאת בעיקר משום שלא מתחוללת בה תגובת שרשרת גרעינית ואין חשש לתגובות בלתי מבוקרות. למעשה, נבחנת האפשרות להשתמש במגברי אנרגיה לביקוע חומרים רדיואקטיביים מסוכנים לתוצרים לא מסוכנים. כך ניתן להיפטר מפסולת גרעינית במקום להטמינה. יישום זה מעורר עניין במיוחד לאור החשש משימוש עוין בפסולת גרעינית להכנת "פצצה מלוכלכת".