אנרגיה גרעינית
הכוח האדיר שמסתתר בתוך הגרעין - ביקוע, מיזוג והמרת מסה לאנרגיה
מהי אנרגיה גרעינית?
E = mc^2 - המשוואה המפורסמת
הנוסחה של אינשטיין
אלברט אינשטיין גילה ב-1905 שמסה ואנרגיה הם שני ביטויים של אותו דבר.
E = m x c^2
E = אנרגיה (ג'ול)
m = מסה שהפכה לאנרגיה (ק"ג)
c = מהירות האור (300,000,000 מ'/שנ')
כיוון ש-c^2 = 90,000,000,000,000,000, אפילו כמות זעירה של מסה יכולה לשחרר אנרגיה עצומה.
דוגמת חישוב:
1 גרם חומר = 0.001 ק"ג
E = 0.001 x (3 x 10^8)^2 = 90,000,000,000,000 ג'ול
= 90 טרה-ג'ול = 25 מיליון קוט"ש!
זה מספיק לחמם כ-215 מיליון ליטר מים ממעלה אחת.
E = mc^2
כמות זעירה של מסה = כמות עצומה של אנרגיה. זה המקור לעוצמה של אנרגיה גרעינית.
פחת מסה
מה זה פחת מסה?
בתהליכים גרעיניים, המסה הכוללת של התוצרים קטנה מהמסה הכוללת של המגיבים. ההפרש הזה נקרא פחת מסה.
המסה 'החסרה' לא נעלמה - היא הפכה לאנרגיה לפי E = mc^2.
דוגמה: בביקוע אורניום-235, מסת התוצרים קטנה בכ-0.1% ממסת האורניום המקורי. ה-0.1% הזה הופך לאנרגיה עצומה.
שימו לב: בתהליכים כימיים, פחת המסה כל כך זעיר שלא ניתן למדוד אותו. לכן אומרים שמסה נשמרת בתהליכים כימיים.
ביקוע מול מיזוג
שני תהליכים גרעיניים
ביקוע גרעיני
גרעין כבד (אורניום-235, פלוטוניום-239) מתפצל לשני גרעינים קלים.
משחרר: אנרגיה עצומה + 2-3 נויטרונים.
הנויטרונים יכולים לגרום לתגובת שרשרת.
טכנולוגיה קיימת ופועלת.
דוגמה: כור גרעיני, פצצת אטום
מיזוג גרעיני
שני גרעינים קלים (מימן - דאוטריום, טריטיום) מתאחדים לגרעין כבד יותר (הליום).
משחרר: אנרגיה רבה עוד יותר מביקוע.
דורש טמפרטורה של מיליוני מעלות.
טכנולוגיה בפיתוח.
דוגמה: השמש, כוכבים, פצצת מימן, פרויקט ITER
השמש פועלת על מיזוג גרעיני: 4 גרעיני מימן ← 1 גרעין הליום + אנרגיה. בכל שנייה, 600 מיליון טון מימן הופכים להליום
תגובת שרשרת
תגובת שרשרת בביקוע
בביקוע, כל גרעין שמתפצל משחרר נויטרונים שיכולים לפצל גרעינים נוספים.
1. נויטרון פוגע בגרעין אורניום-235
2. הגרעין מתפצל לשני גרעינים + 2-3 נויטרונים + אנרגיה
3. כל נויטרון שהשתחרר יכול לפצל גרעין נוסף
4. נוצרת תגובת שרשרת - מספר הביקועים גדל בקצב אקספוננציאלי
תגובה מבוקרת (כור): מוטות בקרה סופגים חלק מהנויטרונים - שולטים בקצב.
תגובה לא מבוקרת (פצצה): כל הנויטרונים מפצלים גרעינים - פיצוץ.
ההבדל בין כור גרעיני לפצצה הוא רק בשליטה בתגובת השרשרת.
הכור הגרעיני
רכיבי הכור הגרעיני
דלק גרעיני
מוטות אורניום-235 מועשר. הביקוע מתרחש כאן ומשחרר חום.
מוטות בקרה
בולעים נויטרונים ומאטים את תגובת השרשרת. הכנסה = האטה, שליפה = האצה.
ממתן
מים כבדים או גרפיט. מאטים נויטרונים כדי שייספגו טוב יותר בדלק.
מערכת קירור
מים סופגים חום מהביקוע, הופכים לקיטור. הקיטור מסובב טורבינה ← גנרטור ← חשמל.
ייצור חשמל בכור גרעיני
שרשרת ההמרה בכור גרעיני:
←
←
←
←ביקוע ← חום ← קיטור ← טורבינה ← גנרטור ← חשמל. אותו עיקרון כמו תחנת כוח פחמית, רק מקור החום שונה.
יתרונות וחסרונות
אנרגיה גרעינית - יתרונות וחסרונות
יתרונות
- כמות אנרגיה עצומה ממעט דלק
- לא פולטת גזי חממה (CO2) בהפעלה
- פועלת 24/7 (לא תלויה במזג אוויר)
- אמינות גבוהה
- תופסת שטח קטן יחסית
דוגמה: צרפת: ~70% מהחשמל מכורים גרעיניים
חסרונות
- פסולת רדיואקטיבית מסוכנת (אלפי שנים)
- סכנת אסון גרעיני (צ'רנוביל, פוקושימה)
- עלות בנייה גבוהה מאוד
- קשר אפשרי לנשק גרעיני
- כריית אורניום פוגעת בסביבה
דוגמה: פסולת רדיואקטיבית מסוכנת עשרות אלפי שנים
ההבדל בין תהליך גרעיני לתהליך כימי
גרעיני מול כימי
| תכונה | תהליך כימי | תהליך גרעיני |
|---|---|---|
| מה משתנה? | סידור אלקטרונים (קשרים) | מבנה הגרעין עצמו |
| הגרעין | נשאר ללא שינוי | מתפצל/מתאחד |
| יסודות | נשמרים | נוצרים יסודות חדשים |
| כמות אנרגיה | קטנה יחסית | עצומה (פי מיליונים) |
| פחת מסה | זניח (לא מדיד) | מדיד ומשמעותי |
| דוגמה | שריפת דלק, חלודה | ביקוע, מיזוג, התפרקות |
שאלה לחשיבה
האם אנרגיה גרעינית היא אנרגיה 'נקייה'? נמקו.
זה תלוי בהגדרה. מצד אחד, כורים גרעיניים לא פולטים CO2 ולא תורמים ישירות לשינוי אקלים. מצד שני, הם מייצרים פסולת רדיואקטיבית מסוכנת שקשה לטפל בה. בנוסף, כריית אורניום ובניית הכור כן מלוות בפליטות. רוב המדענים רואים בה חלופה טובה לדלקים פוסיליים, אך לא פתרון מושלם.
שאלה לחשיבה
מדוע מיזוג גרעיני נחשב 'חלום האנרגיה' אבל עדיין לא מיושם?
מיזוג יכול לספק אנרגיה כמעט בלתי מוגבלת מדלק זול (מימן מהמים), ללא פסולת רדיואקטיבית ארוכת טווח. הבעיה: צריך טמפרטורה של 150 מיליון מעלות כדי להתחיל את התגובה - חם יותר מליבת השמש. בטמפרטורה כזו, אין חומר שיכול להכיל את הפלזמה, ולכן משתמשים בשדות מגנטיים חזקים מאוד.
שאלה לחשיבה
מדוע בתהליכים כימיים אומרים ש'מסה נשמרת' אם גם שם יש E=mc^2?
גם בתהליכים כימיים יש פחת מסה זעיר, אבל הוא כל כך קטן שאי אפשר למדוד אותו. למשל, בשריפת 1 ק"ג פחם, פחת המסה הוא כ-0.000000001 ק"ג. זה מתחת לרגישות של כל מאזניים. לעומת זאת, בביקוע גרעיני, פחת המסה הוא כ-0.1% - שזה כבר מדיד ומשמעותי.
פרויקט ITER (בדרום צרפת) הוא ניסוי בינלאומי ענק לבניית כור מיזוג ניסויי. 35 מדינות משתתפות. המטרה: להוכיח שאפשר לייצר יותר אנרגיה מהמיזוג ממה שמושקע בו. הפלזמה בתוך הכור תהיה ב-150 מיליון מעלות - פי 10 מליבת השמש. אם יצליח, זה ישנה את עולם האנרגיה לנצח.
בליבת השמש, בטמפרטורה של כ-15 מיליון מעלות ולחץ עצום, 4 גרעיני מימן מתאחדים לגרעין הליום אחד. ההבדל במסה הופך לאנרגיה. בכל שנייה, כ-600 מיליון טון מימן הופכים להליום, ו-4 מיליון טון מסה הופכים לאנרגיה. השמש עושה זאת כבר 4.6 מיליארד שנה, ויש לה דלק לעוד כ-5 מיליארד שנה.
אסונות גרעיניים - מה לומדים מהם?
אסונות גרעיניים משמעותיים
| אירוע | שנה | מה קרה | לקח |
|---|---|---|---|
| צ'רנוביל | 1986 | פיצוץ כור באוקראינה. זיהום רדיואקטיבי נרחב. פינוי אלפים. | חשיבות מערכות בטיחות ותחזוקה |
| פוקושימה | 2011 | רעידת אדמה וצונאמי ביפן. היתוך ליבה ב-3 כורים. | אסונות טבע יכולים לפגוע גם בכורים מתקדמים |
| הירושימה | 1945 | פצצה גרעינית. כ-80,000 הרוגים מיידיים. השפעות בריאותיות לדורות. | העוצמה ההרסנית של אנרגיה גרעינית |
* למרות הסיכונים, כורים גרעיניים מודרניים בטוחים בהרבה מהדורות הקודמים
נקודות מפתח באנרגיה גרעינית
סיכום:
- E=mc^2: מסה קטנה = אנרגיה עצומה
- ביקוע: פיצול גרעין כבד. כורים, תגובת שרשרת מבוקרת
- מיזוג: חיבור גרעינים קלים. השמש. טכנולוגיה בפיתוח
- יתרון: לא פולט CO2. חסרון: פסולת רדיואקטיבית
- ההבדל מכימי: גרעין משתנה, לא רק אלקטרונים