מעגל דלק גרעיני

מעגל הדלק הגרעיני (נקרא גם מחזור הדלק הגרעיני) הוא רצף של תהליכים תעשייתיים שבהם דלק גרעיני מופק, מעובד, מנוצל לייצור אנרגיה, ולבסוף מטופלת הפסולת הרדיואקטיבית הנותרת. תהליכים אלו כוללים את שלבי הכרייה של חומרי הגלם (בעיקר אורניום), עיבודם והכנתם כדלק לשימוש בכורים גרעיניים, וכן את השלבים שלאחר השימוש בדלק בכור - הכוללים טיפול, אחסון או מיחזור של הדלק הגרעיני המשומש והפסולת הנובעת ממנו. באמצעות שרשרת תהליכים זו ניתן להפיק אנרגיה גרעינית לצורכי הפקת חשמל בהיקף תעשייתי בתחנות כוח גרעיניות. במעגל דלק "פתוח" משתמשים בדלק הגרעיני פעם אחת בלבד ולאחר מכן מטמינים את הפסולת, בעוד שבמעגל דלק "סגור" הדלק המשומש עובר עיבוד מחדש ומוחזר לשימוש נוסף בכור.

 שלבי מעגל הדלק הגרעיני 
 כרייה ועיבוד ראשוני 
אורניום הוא היסוד העיקרי המשמש כדלק גרעיני, והוא מצוי בעפרות (מחצבים) באדמה בריכוזים נמוכים. השלב הראשון במעגל הדלק הגרעיני הוא כריית האורניום ממכרות, בין אם במכרות פתוחים על פני השטח ובין אם במכרות תת-קרקעיים. לאחר כריית העפרה, היא עוברת עיבוד ראשוני (המכונה לעיתים "טחינה") במתקן ריכוז, שבו מופק תרכיז אורניום מוצק המכיל אחוז גבוה של תחמוצת אורניום. תוצר זה, המוכר בכינויו "עוגה צהובה", משמש כחומר הגלם המעובד להמשך התהליך.

 העשרת אורניום 
האורניום הטבעי מכיל רק כ-0.7% מהאיזוטופ אורניום-235 (U-235) הבקיע הדרוש לתגובת שרשרת, ואילו מרבית הכורים הגרעיניים דורשים דלק אורניום מועשר בריכוז גבוה יותר (לרוב 3–5% של U-235). לכן, השלב הבא במעגל הוא העשרת האורניום - העלאת שיעור האיזוטופ הבקיע בדלק. את תרכיז האורניום ("העוגה הצהובה") ממירים תחילה לתרכובת גזית ולאחר מכן מעבירים אותה במתקני העשרה מיוחדים, בדרך כלל צנטריפוגות גז מהירות. הצנטריפוגות מסובבות את הגז במהירות גבוהה ומאפשרות הפרדה הדרגתית בין האיזוטופ הכבד U-238 לאיזוטופ הקל יותר U-235. בתהליך זה מתקבל אורניום מועשר לרמה הרצויה לכור, וכן תוצר לוואי של אורניום מדולדל (שמכיל בעיקר U-238 עם אחוז שארי נמוך מאוד של U-235).

 ייצור מוטות דלק 
לאחר העשרת האורניום, ממירים אותו לתחמוצת אורניום מוצקה ומייצרים ממנו כדוריות קטנות (pellets) המשמשות כדלק. את הכדוריות דוחסים ומכניסים לתוך צינורות מתכת ארוכים וחלולים, וכך יוצרים מוטות דלק גרעיני. מספר רב של מוטות דלק מקובצים יחד למבנה הקרוי אלומת דלק (fuel assembly) המיועד לטעינה בליבת הכור.

 שימוש בכור גרעיני 
לאחר שיוצרו מוטות הדלק ואלומות הדלק, מטעינים אותם אל תוך ליבת הכור הגרעיני. בכור, האורניום המועשר עובר תגובת ביקוע גרעיני מבוקרת: גרעיני U-235 (ובמהלך ההפעלה גם גרעיני פלוטוניום-239 הנוצרים מהאורניום) מתפצלים בעקבות פגיעת נייטרונים ומשחררים אנרגיה רבה בצורת חום. החום משמש להרתחת מים ולהפקת קיטור, אשר מניע טורבינות לייצור חשמל. מוטות הדלק שוהים בתוך הכור בדרך כלל במשך מספר שנים (כ-3 עד 5 שנים), אך מדי שנה מחליפים חלק מהם בדלק טרי כדי לשמור על רמת פעילות גרעינית מספקת. במהלך פעולת הכור מצטברים בתוך מוטות הדלק תוצרי ביקוע רדיואקטיביים (המהווים פסולת רדיואקטיבית) וגם נוצרות כמויות של חומרים בקיעים חדשים, כגון פלוטוניום הנוצר מאיזוטופ U-238. בסופו של דבר, כאשר שיעור הביקוע בדלק פוחת מתחת לסף יעיל, הדלק נחשב "דלק משומש" ומוצא מליבת הכור להמשך טיפול.

 טיפול בפסולת גרעינית 
עם הוצאת הדלק הגרעיני המשומש מהכור, הוא עדיין פולט חום וקרינה בעוצמה גבוהה. לכן בשלב הראשון מאחסנים אותו בבריכות מים באתר הכור למשך מספר שנים, עד להתקררות והפחתת עוצמת הקרינה. לאחר מכן עומדות שתי אפשרויות: הטמנה סופית או עיבוד מחדש (מיחזור) של הדלק. במעגל פתוח, הדלק המשומש נארז במכלים ונשמר לאחסון והטמנה ארוכי טווח (למשל במתקני הטמנה גאולוגיים עמוקים) כדי לבודדו מן הסביבה. לחלופין, ניתן לעבד את הדלק המשומש במתקן מיוחד, שבו מפרידים את האורניום והפלוטוניום הנותרים ומשתמשים בהם להכנת דלק חדש (כגון דלק MOX המכיל פלוטוניום). הפסולת הרדיואקטיבית שנותרת לאחר העיבוד עוברת התמצקות (למשל הכלה בתוך זכוכית) לקראת הטמנה בטוחה.

 סוגים שונים של מעגלי דלק גרעיניים: פתוח וסגור 
ניתן לסווג את מעגלי הדלק הגרעיני לשני סוגים עיקריים על פי אופן הטיפול בדלק לאחר השימוש בכור: מעגל פתוח ומעגל סגור. במעגל דלק גרעיני פתוח (המכונה גם "מחזור חד-פעמי"), הדלק הגרעיני המשומש אינו עובר עיבוד מחדש אלא מוגדר כפסולת סופית. לאחר תקופת הקירור בבריכה, הדלק המשומש נארז ומוטמן באופן מבוקר לטווח ארוך, ואין ניצול נוסף של החומרים הבקיעים שבו. שיטה זו פשוטה יותר מבחינה תפעולית, אך משמעותה ניצול חלקי בלבד של חומר הגלם האורניום, שכן פלוטוניום וחומרים בקיעים אחרים שנוצרים במהלך ההפעלה נותרים כלואים בפסולת. לעומת זאת, במעגל דלק גרעיני סגור, הדלק המשומש מעובד מחדש לצורך חילוץ חומרים שניתן לעשות בהם שימוש חוזר. פלוטוניום ואורניום מופרדים מתוך תוצרי הלוואי הרדיואקטיביים, ולאחר עיבוד מתאים הם מוחזרים למעגל כדלק גרעיני חדש (למשל בדמות דלק MOX המכיל תערובת אורניום ופלוטוניום). באופן זה חלק גדול יותר מחומרי הדלק מנוצל להפקת אנרגיה, וניתן גם לצמצם את נפח ורמת הרדיואקטיביות של הפסולת הסופית (שכן רוב האורניום והפלוטוניום אינם מוטמנים אלא ממוחזרים). עם זאת, מעגל סגור מורכב ויקר יותר לתפעול, ודורש תשתית טכנולוגית מתקדמת למיחזור דלק וניהול פסולת. מדינות שונות נוקטות בגישות שונות: בארצות הברית, למשל, לא ממחזרים דלק גרעיני לשימוש חוזר (מעגל פתוח), בעוד שבצרפת ובמדינות נוספות נהוג מיחזור דלק כחלק ממעגל סגור.

 אתגרים ובעיות 
שמאל|ממוזער|404x404 פיקסלים|הכור הגרעיני בצ'רנוביל לאחר האסון
הפקת ושימוש בדלק גרעיני מעלים סוגיות סביבתיות ובטיחותיות משמעותיות. מבחינה סביבתית, כריית אורניום עלולה לגרום לפגיעה בסביבה המקומית: פתיחת מכרות מותירה פסולת כרייה המכילה חומרים רדיואקטיביים (שפכי עפר ועקרות מכרה), העלולים לזהם קרקע ומקורות מים. האתגר הסביבתי המשמעותי ביותר הוא הטיפול בפסולת הגרעינית הרדיואקטיבית – פסולת המכילה חומרים בעלי זמן מחצית חיים ארוך, שעלולים להישאר מסוכנים במשך אלפי עד מאות אלפי שנים. נדרשים פתרונות אחסון והטמנה בטוחים שימנעו דליפה של חומרים רדיואקטיביים לסביבה לאורך פרקי זמן כה ממושכים – משימה הנדסית מורכבת שטרם נפתרה במלואה.

גם מבחינה בטיחותית ישנם סיכונים בכל שלבי מעגל הדלק. בעבודות הכרייה עובדים חשופים לקרינה ולחומרים רעילים; במתקני ההעשרה וייצור הדלק יש להקפיד על מניעת תאונות ודליפות; ובכור עצמו קיימת סכנת תאונה גרעינית (כדוגמת אלו שאירעו בצ'רנוביל ובפוקושימה), המחייבת מערכות הגנה ונהלים קפדניים. כמו כן, אחסון ושינוע דלק משומש ופסולת מצריכים אבטחה ומיגון למניעת דליפה או חבלה מכוונת.

סיכון מרכזי נוסף הוא סכנת הפצה גרעינית – כלומר ניצול מעגל הדלק הגרעיני לצורכי ייצור נשק גרעיני. מתקני ההעשרה המפיקים דלק לכורים אזרחיים מסוגלים גם להעשיר אורניום לרמה המתאימה לפצצה גרעינית, אם יופעלו ללא פיקוח מספיק. בדומה לכך, עיבוד מחדש מפיק פלוטוניום שניתן לנצל בנשק גרעיני. משום כך נדרשים פיקוח בינלאומי הדוק והסכמים שיגבילו את הפצת הטכנולוגיות והחומרים הרגישים. הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה אטומית (סבא"א) משגיחה ומפקחת על מתקני גרעין בעולם כדי לוודא שהשימוש בדלק גרעיני נותר לצורכי שלום בלבד. הסכמים כמו האמנה למניעת הפצת נשק גרעיני (NPT) נועדו להגביל את הפצת הטכנולוגיות והחומרים הרגישים. עם זאת, יש לציין כי לא כל המדינות חתומות על אמנה זו.

 עתיד מעגל הדלק הגרעיני 
המעגל הגרעיני ניצב כיום בפני חידושים טכנולוגיים ויוזמות מחקר המבקשים לשפר את היעילות, הבטיחות והקיימות שלו בעתיד. אחד הכיוונים המרכזיים הוא פיתוח כורים גרעיניים מתקדמים (מדור רביעי) וכורים מהירים מסוג רבייה, שמטרתם לנצל טוב יותר את הדלק. כורים מהירים מסוגלים "לשרוף" את האיזוטופים הכבדים שבפסולת ואף להפיק חומר בקיע חדש, וכך לסגור כמעט לחלוטין את מעגל הדלק. שילוב כורים כאלה עם שיטות עיבוד מחדש משופרות עשוי לצמצם את כמות הפסולת ארוכת-החיים ולהגדיל את נצילות הדלק הגרעיני.

כיוון מחקרי נוסף הוא מחזור דלק המבוסס על תוריום – יסוד נפוץ שניתן להפוך בתוך כור לאורניום-233 בקיע. מחזור תוריום מייצר פחות פלוטוניום ופסולת רדיואקטיבית ארוכת-חיים, ובכך עשוי להפחית את סכנת ההפצה הגרעינית ואת עומס הפסולת העתידית. עם זאת, יש לציין כי תהליך זה עדיין דורש עיבוד מחדש של הדלק, פעולה המהווה סיכון להפצה גרעינית, מאחר שהתוצרים הם חומרים בקיעים הניתנים לשימוש בנשק גרעיני.

מספר מדינות חוקרות טכנולוגיות תוריום, אך טכנולוגיות אלו טרם יושמו באופן מסחרי נרחב. מדינות כמו הודו, סין, יפן, בריטניה וארצות הברית חוקרות טכנולוגיות תוריום, עם דגש על ריאקטורים מקוררים במלח מותך (MSR). לדוגמה, סין השלימה ריאקטור ניסיוני מבוסס תוריום ב-2021, וצפויה לבנות ריאקטור נוסף.

בהיבט הפסולת, מוקמים מתקני הטמנה גאולוגית עמוקה לאחסון בטוח של דלק משומש למשך אלפי שנים (לדוגמה, המתקן באתר אונקלו בפינלנד הצפוי להתחיל לפעול בשנים הקרובות). במקביל, נחקרים תהליכי הפרדת מרכיבי פסולת וטרנסמוטציה – המרה של איזוטופים רדיואקטיביים ארוכי-חיים ליסודות יציבים יותר – במטרה לצמצם את נפח הפסולת ואת משך זמן הסיכון שהיא מציבה.

בנוסף לחידושים הטכנולוגיים, נבחנות גם יוזמות בינלאומיות כמו הקמת "בנק דלק גרעיני" בפיקוח סבא"א (בדומה לזה שהוקם בקזחסטן) במדינות כמו ערב הסעודית שיספק דלק למדינות ויטפל בפסולת שלהן, ובכך יצמצם את הצורך בפיתוח טכנולוגיות רגישות בכל מדינה. הצלחתם של מהלכים אלה – הן הטכנולוגיים והן המדיניים – תקבע במידה רבה אם וכיצד תהפוך האנרגיה הגרעינית בעתיד לבת-קיימא, בטוחה ומקובלת יותר מבחינה סביבתית וביטחונית.

קישורים חיצוניים

 הערות שוליים 

קטגוריה:טכנולוגיה גרעינית