ליבת כור גרעיני

ליבת כור גרעיני (המכונה לעיתים "ליבת כור" או "ליבה") היא החלק בכור גרעיני, בו מתבצע תהליך הביקוע הגרעיני של אטומי הדלק הגרעיני. בתהליך הביקוע, אטום של חומר לא יציב מתפרק לשני אטומים קטנים יותר וכתוצאה מכך משתחררת אנרגיה רבה. התהליך הוא תגובת שרשרת, כלומר נייטרונים הנפלטים בעת הביקוע של אטום אחד גורמים לביקוע של אטומים נוספים. מצב ליבת הכור נחשב לפעיל (Criticality) כאשר תגובת השרשרת מקיימת את עצמה. החום הרב הנוצר בתהליך זה מפונה אל מחוץ לליבה, בתחנת כוח גרעינית משמש החום לייצור קיטור. תגובות גרעיניות משחררות כמות גדולה של אנרגיה בהשוואה לתגובות כימיות. ליבת הכור הגרעיני היא האזור בתוך כור גרעיני שבו נמצאים מצבורי הדלק הגרעיני ושם מתקיימת התגובה הגרעינית. הליבה מכילה דלקים גרעיניים לייצור חום (כגון אורניום מועשר ברמה נמוכה), מערכות בקרה ויחידות מכניות נוספות. הליבה משמשת בכורים מבוססי מים וכן בכאלו מבוססי גרפיט. 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" או "הדממה" (Shutdown) של הכור. חומרים בולעי נייטרונים, לדוגמה, הם בורון וקדמיום. כאשר הכור מתחיל לפעול בפעם הראשונה או חוזר לפעול לאחר הדממה ארוכה הוא זקוק למקור נייטרונים אשר מוחדר לתוך הליבה כדי לאתחל את תגובת השרשרת (Startup). כאשר תגובת השרשרת מתייצבת והופכת להיות רציפה הכור מוגדר להיות במצב קריטי. האנרגיה הרבה הנוצרת בתהליך הביקוע מועברת אל מחוץ לליבה באמצעות נוזל קירור שסוגו משתנה על פי סוג הכור הגרעיני. באופן תאורטי, הצורה המתאימה ביותר לעיצוב ליבת כור גרעיני היא כדור, מכיוון שכך היחס בין שטח הפנים לנפח הוא הקטן ביותר. למרות זאת לרוב הליבה מעוצבת בצורת גליל. ליבת הכור בנויה בתוך מיכל פלדה חזק, המכיל מוטות דלק בתוך צינורות. כמו כן היא מוגנת על ידי שכבת עופרת ושכבת בטון עבה, לעיתים עד עובי של מטר על מנת להבטיח שלא תיפגע באסונות טבע או התקפות. פגיעה באטימות הליבה תגרום לחשיפה של חומרי הדלק לאוויר ולפיזור של חומרים רדיואקטיביים לסביבה. בכורים גרעיניים מסוימים הליבה ממוקמת בתוך בריכת מים, בעומק של 10 עד 12 מטר. מסמך בטיחות שפורסם על ידי הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית מפרט את תקני בטיחות לתכנון כור גרעיני. כור גרעיני מונע על ידי תהליך הביקוע, שבו חלקיק נייטרון נורה על אטום, ולאחר מכן מתפרק לשני אטומים קטנים יותר ולנייטרונים נוספים. חלק מהנייטרונים שמשתחררים פוגעים גם באטומים אחרים, וגורמים גם להם לעבור את תהליך הביקוע ולשחרר עוד נייטרונים. ביקוע האטומים בתגובת השרשרת משחרר כמות גדולה של אנרגיה המשתחררת כחום, ניתן להשתמש בחום זה כדי לייצר קיטור, המניע טורבינות לייצור חשמל. לצורך תהליך הביקוע ניתן להשתמש במספר חומרים שונים, אך לרוב משתמשים באורניום. אורניום נמצא בשפע וניתן למצוא אותו במקומות רבים ברחבי העולם. ניתן להשתמש גם בדלקים אחרים, כמו פלוטוניום ותוריום. השימוש בחומרים אלה נעשה עקב חוסר היציבות שלהם - הם כבדים יחסית ובנוכחות נייטרון חופשי מתבקעים בקלות ומשחררים אנרגיה. הדלק הגרעיני הוא חומר בקיע שמתאים לכורים גרעיניים, והוא ממוקם במוטות כך שניתן יחסית בקלות לחלץ את האנרגיה התרמית המיוצרת על ידי התגובה הגרעינית. מוטות הדלק ממוקמים במרחק מסוים אחד מהשני כדי לאפשר לנוזל הקירור להסתובב ביניהם. מוטות הדלק לרוב מורכבים מכ-400 כדורים קטנים של אורניום-235 או פלוטוניום-239. שני כדורי אורניום בלבד מספיקים כדי לספק חשמל למשק בית ממוצע למשך חודש, ומוט דלק אחד יכול לספק חשמל לעיר בת 20,000 תושבים למשך 24 שעות. באופן כללי, לכור אופייני נדרשים כ־27 טון דלק מדי שנה. לצורך השוואה, לתחנת כוח בגודל דומה יידרשו יותר משני מיליון וחצי טון פחם כדי לייצר חשמל רב ככל האפשר. כלומר, ביקוע של 1 גרם אורניום או פלוטוניום משחרר כ־1 מגה-וואט, כמות זו היא בערך האנרגיה המתקבלת מ-3 טון של פחם, אשר בשריפתו מייצר כ־1/4 טון פחמן דו-חמצני. על מנת להבטיח שהתגובה הגרעינית תתרחש במהירות הנכונה, לכורים יש מערכות שמאיצות, מאטות או משביתות את התגובה הגרעינית, ואת החום שהיא מייצרת. מערכות אלה, בין היתר, הן מוטות הבקרה - מוטות העשויים חומרים אשר מסוגלים להאט את התגובה על ידי קליטת נייטרונים, וכך לגרום לה להיות תגובה מבוקרת. מספר חומרים שמסוגלים להאט את קצב התגובה הם: בורון, כסף, אינדיום, קדמיום, קובלט, הפניום, גדוליניום ואירופיום. חומרים אלה מסוגלים לקלוט נייטרונים בלי לעבור שום תגובת ביקוע. האטת קצב התגובה תלויה בהזזת מוטות הבקרה ובמידת החדירה של מוטות הבקרה לחללים שבין מוטות הדלק. במקרה של כשל בבטיחות הכור יש לבצע הכנסה מלאה, פעולה זו עוצרת את תגובת השרשרת ומכונה "כיבוי" של הכור. מלבד מוטות הבקרה, ברוב הכורים הגרעיניים ישנם גם חומרים מנחי נייטרונים. בשונה ממוטות הבקרה, המנחה אינו קולט נייטרונים, אלא מפחית את האנרגיה הקינטית שלהם באמצעות התנגשויות אלסטיות של הנייטרונים עם גרעיני המנחה עצמו. האנרגיה הקינטית המופחתת מהנייטרון מועברת לחומר המנחה. מנחה הנייטרונים הנפוץ ביותר בכור גרעיני טיפוסי הוא מים קלים, אך ניתן להשתמש גם בגרפיט מוצק ובמים כבדים. ההבדל העיקרי בליבת כור הומוגני לליבה של כור הטרוגני הוא הפרדת מוטות הבקרה ממוטות הדלק. בכורים הטרוגניים מוטות הבקרה מופרדים לגמרי ממוטות הדלק, ואילו בכורים הומוגניים אין הפרדה מלאה. NUCLEAR 101: How Does a Nuclear Reactor Work?, Office of Nuclear Energy Nuclear Fission Energy, Lawrence Berkeley National Lab, ‏אוגוסט 2000 B. R. Betzler, B. J. Ade, A. J. Wysocki, M. S. Greenwood, J. J. W. Heineman, P. C. Chesser, P. K. Jain, F. Heidet, and A. Bergeron, Advanced Manufacturing for Nuclear Core Design, ‏2021 G. G. Bustamante, Reactores nucleares, FisicaNet IAEA - International Atomic Energy Agency (in Australia), IAEA Specific Safety Standards - Design of the Reactor Core for Nuclear Power Plants, IAEA, ‏דצמבר 2019 How does a nuclear reactor work, World Nuclear Association, ‏2016-2021 J. R. V. Fogaça, Reator Nuclear, mundoeducacao O. Planas - Engenheiro Técnico Industrial, Hastes de controle de uma usina nuclear, energia-nuclear, ‏דצמבר 2009 J. Grayson, Control Rods in Nuclear Reactors, ‏פברואר 2011 O. Planas - Engenheiro Técnico Industrial, O que é um reator nuclear?, energia-nuclear, ‏יולי 2012