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.

 תיאור 
כאמור, ליבת הכור הגרעיני היא האזור בתוך הכור בו מתקיימת התגובה הגרעינית. הליבה מכילה שלושה מרכיבים עיקריים, מוטות דלק גרעיני, מוטות בקרה, וחומר ממתן נייטרונים. בנוסף ישנם בליבה חומר קירור, מערכות בקרה ובטיחות ויחידות מכניות נוספות. לעיתים הממתן משמש גם כחומר קירור. מוטות הבקרה עשויים מחומר המסוגל לקלוט נייטרונים דבר שיכול 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. תפקיד החומר הממתן הוא להאט את תנועת הנייטרונים הניפלטים בזמן הביקוע, וכך להגדיל את הסיכוי שהם יבלעו על ידי גרעיני האטומים של החומר הבקיע ויגרמו לביקוע גרעיני. ממתנים נפוצים הם מים, גרפיט ומים כבדים.

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.

 מבנה ובטיחות 
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 מכל 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.

 התגובה בליבת הכור 
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.

 מוטות הדלק הגרעיני 
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.

 בקרת קצב תגובה 
על מנת להבטיח שהתגובה הגרעינית תתרחש במהירות הנכונה, לכורים יש מערכות שמאיצות, מאטות או משביתות את התגובה הגרעינית, ואת החום שהיא מייצרת. ממוזער|313x313px|המחשה של מוטות הבקרה המאטים את קצב התגובהמערכות 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 ממתני נייטרונים. בשונה ממוטות הבקרה, הממתן אינו קולט נייטרונים, אלא מפחית את האנרגיה הקינטית שלהם באמצעות התנגשויות אלסטיות של הנייטרונים עם גרעיני הממתן עצמו. האנרגיה הקינטית המופחתת מהנייטרון מועברת לחומר הממתן.

ממתן הנייטרונים הנפוץ ביותר בכור גרעיני טיפוסי הוא מים קלים, אך ניתן להשתמש גם בגרפיט מוצק ובמים כבדים.

 ליבת כור הומוגני/ הטרוגני 
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.

 הערות שוליים 

קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
קטגוריה:כורים גרעיניים