כור גרעיני

כור גרעיני הוא מתקן שבו מתחוללת תגובת שרשרת גרעינית מבוקרת. הואיל ואין בנמצא טכנולוגיה המאפשרת תהליך מבוקר של היתוך גרעיני, מתייחס כיום המושג "כור גרעיני" רק למתקנים שמתרחש בהם ביקוע גרעיני. השימוש השכיח בכורים גרעיניים הוא להפקת חום לצורך הנעת תחנות כוח המייצרות חשמל. תהליכים גרעיניים מייצרים אנרגיה רבה מאוד ביחס למסת הדלק שהם צורכים, בהשוואה לתהליכים כימיים כדוגמת בעירה המתרחשים בתחנות כוח המונעות באמצעות פחם או נפט.

היסטוריה

בסוף 1938 הבהירה ליזה מייטנר את תהליך הביקוע: היבלעות נייטרון בגרעינו של יסוד רדיואקטיבי כבד גורמת להתפצלות הגרעין לשני גרעינים קטנים יותר, תוך שחרור אנרגיה, לפי נוסחת איינשטיין E=mc²; חלק זעיר מהמסה של הגרעין הופך לאנרגיה, הנפלטת בדמות חלקיקי יסוד שונים. בתוך זמן קצר הבין הפיזיקאי לאו סילארד (Szilard) כי אם מוצרי הביקוע כוללים נייטרונים, אלה עשויים לפגוע בגרעינים אחרים ולהביא לביקועם, וחוזר חלילה: הוא תיאר את "תגובת השרשרת". כך נפתחה הדרך שהוליכה לבנייתה של הפצצה הגרעינית הראשונה, ולבנייתו של הכור הגרעיני הראשון. כבר ב-1942 בנה אנריקו פרמי במסגרתה של תוכנית מנהטן את הכור הגרעיני הראשון, במרתף באוניברסיטת שיקגו, שהתבסס - ככל הכורים שנבנו אחריו - על תגובת השרשרת.

ליבת הכור

ליבת הכור היא אזור אטום שבו מתרחש התהליך הגרעיני. בתוך הליבה מסודר הדלק הגרעיני, בדרך כלל בצורת מוטות באופן כזה שנוצר תהליך ביקוע מבוקר הנמשך זמן רב ושניתן לשלוט על עוצמתו. בנוסף למוטות הדלק נמצאים בליבה מוטות של חומר המסוגל לקלוט נייטרונים וכך להאט את תגובת השרשרת. מידת החדירה של מוטות הבקרה לחללים שבין מוטות הדלק קובעת את הספק הכור. הכנסה מלאה עוצרת את תגובת השרשרת ומכונה "כיבוי" של הכור. דוגמה לחומרים בולעי נייטרונים הם בור וגרפיט.
ליבת הכור מוגנת על ידי שכבת עופרת ושכבת בטון עבה, לעיתים עד עובי של מטר, על מנת להבטיח שהליבה לא תיפגע באסונות טבע או התקפות. פגיעה באטימות הליבה תגרום לחשיפה של חומרי הדלק לאוויר ולפיזור של חומרים רדיואקטיביים לסביבה.

נוזל הקירור

האנרגיה הרבה הנוצרת בתהליך הביקוע מועברת אל מחוץ לליבה באמצעות נוזל קירור שסוגו משתנה על פי סוג הכור הגרעיני. נוזל הקירור משמש לקירור ליבת הכור ולהסעת החום הנוצר אל מחוץ לליבה, בנוסף משמש נוזל הקירור גם להאטת הנייטרונים על מנת לייעל את התהליך הגרעיני. נוזל הקירור הפשוט והזול ביותר הוא מים, אך לעיתים קרובות משתמשים בכורים גרעיניים במים כבדים שבהם מחליף איזוטופ המימן דאוטריום את מקומו של המימן הרגיל. מים כבדים מאטים את הנייטרונים ומגדילים את יעילות התגובה הגרעינית בליבה. השימוש במים כבדים מגביר את יעילות הכור מכיוון שהמים הכבדים בולעים פחות נייטרונים מאשר מים רגילים.
נוזל הקירור הזורם במעגל סגור בתוך הליבה רדיואקטיבי ביותר. קיימים מנגנוני הגנה רבים על מנת למנוע מנוזל הקירור לצאת מהליבה. דליפה של נוזל קירור מהמחזור הרדיואקטיבי מכונה דליפה גרעינית. מחסור בנוזל קירור יכול לגרום לעלייה מהירה של טמפרטורת הליבה עד כדי התכתה.

הדלק הגרעיני

הדלק הגרעיני מיוצר בדרך כלל מהיסוד אורניום, ולעיתים מפלוטוניום או יסודות כבדים יותר. איזוטופ האורניום המשמש לתגובת שרשרת בדלק גרעיני הוא האיזוטופ אורניום-235 היותר נדיר והפחות יציב מאורניום-238. אורניום 235 נמצא בכמויות מעטות מאוד בטבע אך הוא תוצר של כורים גרעיניים. בכורים גרעיניים  מסוג קנדו  מתוצרת החברה לאנרגיה אטומית של קנדה משתמשים באורניום טבעי. זאת לעומת בכורים מתוצרת ארצות הברית ואחרים, משתמשים באורניום שהועשר לפני הכנסתו לכור.  היסוד פלוטוניום לא קיים בטבע והוא תוצר של כורים גרעיניים מיוחדים מסוג "כור דוגר" המשמשים בעיקר ליצור פלוטוניום מאורניום ולא לצורך יצור אנרגיה. תוצרי הפסולת של הדלק הגרעיני הם יסודות כבדים (אורניום, פלוטוניום, עופרת) מזוהמים ביותר בקרינה רדיואקטיבית. תוצרי פסולת אלו רעילים מאוד.
הצורה בה מכניסים את הדלק לכור היא בצורת מוטות גדולים, בצורה זו החום הנוצר בתוך המוטות עובר בצורה מרבית לנוזל הקירור. כאשר מוציאים את הדלק הגרעיני מהכור מוטות הדלק קורנים בצבע כחול מתכתי, קרינה זו נקראת קרינת צ'רנקוב.

מזעור כורים גרעיניים

היות שלכורים הגרעיניים קיימים שימושים רבים, סוגיית המזעור הפכה עם השנים לנושא מחקר מרכזי. הקפיצה הטכנולוגית הראשונה בתחום מזעור הכורים נועדה להתאים את הכור כך שיתאים להפעלה בצוללת או בנושאת מטוסים, אולם על אף ההישגים המשמעותיים אליהם הגיעו החוקרים - סוגיית הבטיחות העלתה חששות רבים בנוגע לשימוש בכורים בקרבת מרכזים מאוכלסים. אסון צ'רנוביל שאירע ב-1986 היה האירוע שגדש את הסאה ובעקבותיו זנחו מרבית מדינות העולם את תוכניותיהן לייצור חשמל באמצעות כורים גרעיניים.
אולם ברבות השנים עלות ייצור החשמל הלכה ותפחה, והחזירה את סוגיית השימוש בכורים לייצור חשמל אזרחי לסדר היום הציבורי. בשנת 2008 חברה אמריקאית אף הכריזה כי הצליחה לפתח כור גרעיני ממוזער העומד בכל דרישות הבטיחות ומאפשר שימוש בשכונות מגורים. העלייה בבטיחות הכור נובעת בעיקר משימוש בחלקים נייחים בלבד המפחיתים משמעותית את הסיכוי לתקלה טכנית בכור. ארצות הברית ומספר מדינות נוספות הביעו התעניינות בכור מסוג זה.