המדע שמאחורי האסון בצ'רנוביל
פיצוץ שריסק את הליבה הגרעינית של הכור, ושריפה שפיזרה לכל עבר את התכולה הרדיואקטיבית: כיצד קרה אסון צ'רנוביל, שקטל ישירות לפחות עשרות אנשים וגרם לזיהום רדיואקטיבי ברדיוס של עשרות קילומטרים? כמו במקרים רבים אחרים, התשובה משלבת חולשות אנושיות וכשלים הנדסיים
כולנו שמענו כנראה על אסון צ'רנוביל, התאונה הגרעינית החמורה בהיסטוריה שאירעה באוקראינה ב-1986, וחזרה לאחרונה לתודעת הציבור בשל סדרת הטלוויזיה המוצלחת בשם זה. אבל מה בעצם קרה שם, בליבת הכור? מה היו הסיבות לתאונה, והאם תאונה כזו עשויה להתרחש שנית?
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי :
כלבים יכולים להריח התקף אפילפטי
כמו צדק, אבל חם מפה עולמית של "הרשת החברתית" של צמחים
כדי לענות על השאלות האלה, נצטרך להבין את עקרונות הפעולה של כור גרעיני. למעשה, תחנות כוח גרעיניות פועלות כמו תחנות כוח רגילות: מקור אנרגיה משמש ליצירת חום רב, החום מרתיח מים ומייצר קיטור בלחץ גבוה, הקיטור גורם לסיבוב טורבינה המפעילה גנרטור, והגנרטור מייצר חשמל. אלא שבתחנת כוח רגילה, מקור החום הוא שריפה של דלק מחצבי (כמו פחם, מזוט או גז), ואילו בתחנת כוח גרעינית, מקור החום הוא תגובת השרשרת הגרעינית. כדי להבין מהי התגובה הזאת, נתאר בקיצור את מבנה האטום והגרעין.
סודות הגרעין
כל יסוד מורכב מאטומים, שבמרכזם נמצא גרעין המכיל פרוטונים בעלי מטען חיובי וניטרונים, וסביבו נמצאים אלקטרונים בעלי מטען שלילי. מספר הפרוטונים בגרעין הוא הקובע את זהות היסוד. תגובות כימיות אינן משפיעות על הגרעין, אלא רק על סידור האלקטרונים שסביבו. תגובות גרעיניות משנות את הגרעינים עצמם, ולכן את זהות היסודות - כלומר, יסוד אחד הופך ליסוד אחר.
כאשר ניטרון מתנגש בגרעין של אטום, ברוב המקרים הוא יינתז ממנו בלא השפעה. לעיתים הוא ייבלע בו וייצור גרעין חדש, כבד יותר, אך של אותו היסוד, כיוון שמספר הפרוטונים לא השתנה. אטומים בעלי אותו מספר של פרוטונים אך מספר שונה של ניטרונים נקראים איזוטופים, ובדרך כלל תכונותיהם דומות מאוד. גרעינים מסוימים הנקראים איזוטופים בקיעים (fissile), עשויים לעבור תהליך מיוחד כאשר ניטרון פוגע בהם. במצב כזה יש סיכוי גבוה יחסית לתהליך אחר ביקוע: הגרעין יתפצל לשני חלקים, תוך שחרור של אנרגיה רבה ושל ניטרונים נוספים, בדרך כלל 3-2. ניטרונים אלו עשויים לפגוע באטומים נוספים, שיתבקעו בעצמם, ישחררו עוד ניטרונים וכן הלאה וכן הלאה, בתגובת שרשרת מתמשכת. האנרגיה הממוצעת לאטום המשתחררת במהלך תגובה כימית כמו שריפה, קטנה בערך פי 100 מיליון מהאנרגיה המשתחררת בביקוע אטום אורניום יחיד!
בטבע יש רק חומר אחד המסוגל לקיים תגובת שרשרת שכזו, האיזוטופ אורניום-235, המהווה רק 0.72 אחוז מהאורניום שבטבע. ישנם גם יסודות נוספים שאינם קיימים בטבע, כמו פלוטוניום, המסוגלים לקיים תגובת שרשרת, אך בכורים גרעיניים תגובת השרשרת מבוססת על פי רוב על אורניום-235. לשם כך נוהגים בדרך כלל להעשיר את האורניום, כלומר, להגדיל את אחוז האורניום-235 שבתוכו.
כור לעומת פצצה
מהנדסים הבונים פצצה גרעינית יוצרים תנאים שבהם התגובה מתגברת ככל האפשר, כך שבזמן קצר מאוד, של פחות ממיליונית השנייה, מתרחש מספר עצום של ביקועים ומשתחררת אנרגיה אדירה. בכורים גרעיניים, לעומת זאת, נרצה לשמור על מצב יציב, שבו שינויים קלים בתצורת הכור לא ישפיעו בצורה משמעותית על שחרור האנרגיה ויהיה קל לשלוט על המערכת. לכן התהליך מתון בהרבה: בכור גרעיני נשמרים בקפדנות תנאים שבהם, בממוצע, כל ביקוע יוצר רק ניטרון אחד, שיגרום לביקוע נוסף. שאר הניטרונים נבלעים בחומרים שונים המצויים בכור, או נמלטים לסביבה בלי לגרום לביקוע. לפיכך קצב התגובה נשאר קבוע לאורך זמן, ומתרחש ייצור יציב של אנרגיה.
אמצעים רבים משמשים למטרה זו, וכאן נוכל לתאר בפרוטרוט רק אחדים מהם, הרלוונטיים לצורך הבנת התאונה בצ'רנוביל. המאפיין הראשון והחשוב ביותר הוא השימוש בריכוז נמוך מאוד של חומר בקיע: יש כורים גרעיניים להפקת אנרגיה המשתמשים באורניום טבעי, שבו כאמור ריכוז החומר הבקיע הוא פחות מאחוז, אך בדרך כלל מעשירים את האורניום לרמה של 5-3 אחוזי אורניום-235 בקיע. בצ'רנוביל, רמת ההעשרה הייתה שני אחוזים. רמת העשרה נמוכה כל כך פירושה שלא ייתכן פיצוץ גרעיני בכור: תגובת השרשרת לא תוכל לצאת משליטה ברמה שתגרום לפיצוץ ענק כמו של פצצה גרעינית, והדבר אכן לא קרה בצ'רנוביל.
אמצעי חשוב שני הוא השימוש במאט ניטרונים: הפיזיקה הגרעינית מספרת לנו כי, אולי מעט בניגוד לאינטואיציה, דווקא ניטרונים איטיים יעילים יותר בגרימת ביקוע מאשר ניטרונים מהירים. מאחר שהניטרונים הנוצרים בביקוע הם מהירים מאוד (מהירותם הממוצעת היא כ-5 אחוזים ממהירות האור), אם נוסיף לליבה חומר אשר מאט את הניטרונים כשהם מתנגשים בו, הדבר יעלה את קצב תגובת השרשרת ויגביר את שחרור האנרגיה. ברוב הכורים הגרעיניים בעולם, החומר המאט את הניטרונים הוא מים רגילים, אך בכמה מהכורים, ובהם כורים מדגם RBMK כגון זה שהיה בצ'רנוביל, השתמשו בגרפיט - צורה של היסוד פחמן.
לבסוף, אמצעי שלישי חשוב מאוד לשליטה על קצב התגובה בכור הגרעיני הוא השימוש במוטות בקרה. אלו הם מוטות העשויים מחומרים הבולעים ניטרונים, שניתן להכניס אותם לליבת הכור ולהוציא אותם משם לפי הצורך. בדרך זו ניתן להגדיל או להקטין את כמות הניטרונים בליבה, וכך לשלוט על קצב הפקת האנרגיה.
אז מה קרה שם?
כעת, כשאנו מצוידים בידע הזה, נוכל להבין כיצד פעלה תחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל ומה השתבש בה. הכורים שבתחנה פעלו כך: בליבה התרחשה תגובת שרשרת באורניום מועשר מעט, והניטרונים הואטו בעזרת גרפיט. התגובה ייצרה חום, ולכן הוזרמו דרך הליבה מים, ששימשו לקירור הליבה ולשמירה על טמפרטורה קבועה שלה. מים אלו הפכו לקיטור, ואנרגיית החום שלהם נוצלה בהמשך (לא באופן ישיר) להפקת חשמל בעזרת טורבינה. בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל היו ארבעה כורים, ושניים נוספים בבנייה. כל כור הפיק כ-1,000 מגה-ואט חשמל, כך שההספק הכולל של התחנה היה 4,000 מגה-ואט. לשם השוואה, תחנת הכוח אורות רבין בחדרה, הגדולה ביותר בישראל, מפיקה כ-2,600 מגה-ואט.
מערכות הקירור חשובות מאוד בכורים גרעיניים בכלל, ובכורים מדגם RBMK בפרט: אם המשאבות מפסיקות לעבוד ומי הקירור מפסיקים לזרום לליבה, החום הנוצר יהפוך את מי הקירור הקיימים לקיטור, וטמפרטורת הליבה תעלה. ברוב הדגמים של כורים בעולם, מי הקירור מתפקדים גם בתור מאט, כך שיש לכור מנגנון ביטחון מובנה – אם הליבה מתחממת יותר מדי, המים מתאדים. אדי המים צפופים פחות ממים נוזליים, ולכן מאיטים את הניטרונים במידה קטנה יותר. לפיכך קצב התגובה בליבה יורד, ועד מהרה נבלמת תגובת השרשרת. אך בכור בצ'רנוביל, מאט הניטרונים היה גרפיט. האטת הניטרונים על ידי מי הקירור אינה משמעותית במצב כזה, אך המים בולעים ניטרונים במידה לא זניחה. אידוי המים גורם לבליעת פחות ניטרונים, ולכן קצב התגובה דווקא עולה. עובדה זו הייתה ידועה היטב למפעילי הכור, והם עשו שימוש באמצעי בטיחות נרחבים כדי למנוע מצב כזה.
אחד מאמצעי הבטיחות היה התקנת שלושה גנרטורים מופעלים בסולר בתוך מתחם הכור. מטרתם הייתה לספק חשמל למשאבות המזרימות את מי הקירור, כך שגם במקרה שאספקת החשמל של הכור הגרעיני עצמו תיפסק, עדיין יהיה אפשר להמשיך להזרים את מי הקירור. אלא שחולף זמן-מה מרגע הפעלת הגנרטורים ועד שיש באפשרותם לייצר מספיק חשמל בעבור המשאבות; פרק הזמן הזה הוא בערך דקה. כלומר, במקרה של הפסקת זרם החשמל לכור עצמו, תהיה דקה שבה מי הקירור לא יוזרמו לליבה. פרק זמן זה נחשב ארוך במידה מסוכנת, ואחד הרעיונות לקיצורו היה כזה: אם תקלה כלשהי גורמת להפסקת ייצור החשמל בכור, ולא נוצר קיטור חדש, הטורבינה אינה נעצרת מיד ועדיין יש לה אנרגיית תנועה משמעותית. אם יהיה אפשר להשתמש באנרגיה זו לייצור חשמל אך ורק בעבור משאבות הקירור, יהיה ניתן לקצר במידה ניכרת את משך הזמן שבו הן אינן פועלות.
הרעיון נראה טוב על הנייר, אבל צריך כמובן לנסות לבחון אותו במציאות. שלושה ניסויים כאלו נעשו בכור, אך כולם נכשלו. ניסוי רביעי תוכנן לצהרי 25 באפריל 1986. מכיוון שביצוע הניסוי דרש את הקטנת הספק החשמל של הכור, ועקב בעיות באספקת החשמל באוקראינה באותה השעה, נתבקשו המפעילים לדחות את הניסוי ללילה. לפיכך נדחה הניסוי עד לאחר חצות, אחרי החלפת המשמרות בכור. עובדי הלילה, בניגוד לעובדי המשמרת הקודמת, לא הכירו היטב את הפרוטוקול לביצוע הניסוי. כהכנה לניסוי, הכור היה צריך לפעול בהספק נמוך, אך בשל הדחייה, הוא פעל בהספק נמוך מהרגיל זמן רב למדי – כמה שעות. משום כך נוצרה בעיה חדשה: הצטברות של קסנון-135 בליבה.
אטום האורניום מסוגל להתבקע בכמה עשרות דרכים שונות, חלקן שכיחות יותר וחלקן פחות. אחד התוצרים הנפוצים יותר הוא האיזוטופ הרדיואקטיבי יוד-135, אשר מתפרק במהרה לאיזוטופ קסנון-135. איזוטופ זה של קסנון הוא בולע הניטרונים החזק ביותר הידוע; לפיכך, הצטברותו בליבה גורמת להקטנה משמעותית בפעילות הכור, שכן הוא מקטין את כמות הניטרונים בליבה ומצמצם את היקף תגובת השרשרת. בעיה זו אינה חדשה, ומוכרת היטב: כבר בכורים הגרעיניים הראשונים, בזמן תכנית מנהטן במלחמת העולם השנייה, נתקלו בה, כאשר אחד הכורים החל להיחלש עד שתגובת השרשרת פסקה לגמרי זמן קצר לאחר הפעלתו. הפתרון לבעיה הוא הגברה של פעילות הכור כך שכמעט כל הקסנון בולע ניטרונים והופך לאיזוטופ בלתי מזיק (קסנון 136), כך שהאיזוטופ קסנון-135 נעלם מהליבה והכור יכול להמשיך לפעול כרגיל. בדרך כלל, כורים גרעיניים מתוכננים כך שבהספק רגיל, הקסנון לא יצטבר ולא יהווה בעיה.
שרשרת של כשלים
אחרי שעות של הספק נמוך מהרגיל, כאשר המפעילים הנמיכו את עוצמת הכור עוד יותר לצורך הניסוי, עוצמת הכור המשיכה לרדת הרבה מעבר למתוכנן, כמעט עד לכיבוי שלו, בגלל הצטברות הקסנון. במצב זה, האופציה הבטוחה ביותר היא לכבות את הכור למשך כיומיים-שלושה, עד שכל הקסנון עובר התפרקות רדיואקטיבית באופן טבעי ואפשר להפעיל את הכור מחדש. אך בצ'רנוביל העדיפו עורכי הניסוי להוציא מהכור מוטות בקרה כדי להגביר את פעולתו, כדי שכל הקסנון-135 יבלע ניטרונים וייעלם, וכך יוכלו לבצע את הניסוי כראוי. מערכות הבטיחות האוטומטיות מונעות הוצאה של יותר מדי מוטות בקרה. לכן כיבו עורכי הניסוי כמה מהמערכות האלו, הוציאו כמעט את כל מוטות הבקרה וכיבו חלק ממשאבות מי הקירור, עד שהצליחו לשוב ולהגביר את עוצמת הכור למרות הקסנון. אלא שכך הגיע הכור למצב מסוכן ביותר, שבו כמעט אין מוטות בקרה בליבה, מצב שאינו תקין ולא אמור לקרות על פי התכנון של הכור.
בשלב זה החלו המפעילים בביצוע הניסוי המתוכנן. הם ניתקו את אספקת החשמל מהכור למשאבות מי הקירור, והפעילו את הגנרטורים. אלא שכצפוי, נוצר זמן שבו המשאבות לא קיבלו מספיק חשמל וזרימת מי הקירור לליבה נחלשה. לפיכך, טמפרטורת הליבה עלתה, המים רתחו, פחות ניטרונים נבלעו במים, קצב התגובה גבר, עוד מים רתחו וחוזר חלילה. מעגל קסמים זה גרם לעלייה מהירה מאוד בתפוקת האנרגיה של הכור. בשלב זה, מסיבה בלתי ידועה – אולי מערכת בטיחות אוטומטית או החלטה של המפעילים בחדר הבקרה – נלחץ כפתור החירום, הגורם להכנסה מהירה של כל מוטות הבקרה לתוך הליבה כדי להקטין את הפעילות ולכבות את הכור בטרם יגיע למצב מסוכן. אלא שזו הייתה שגיאה חמורה.
עד שלב זה, התנהלות מפעילי הכור הייתה בעייתית ורשלנית, והם הביאו את הכור למצב מסוכן מאוד בשל התעקשותם לבצע את הניסוי למרות התנאים הבעייתיים. אבל הקש ששבר את גב הכור היה דווקא פגם תכנוני, ולא כשל אנושי: מתברר שקצותיהם של מוטות הבקרה היו עשויים דווקא מגרפיט – שהוא כזכור מאט ניטרונים המגביר את פעילות הכור, עובדה שהמפעילים לא היו מודעים לה. כתוצאה מכך, הלחיצה על כפתור החירום גרמה לכניסת הגרפיט לליבת הכור, לפני שנכנסו אליה החלקים בולעי הניטרונים של מוטות הבקרה. הגרפיט הגביר עוד יותר את פעילות הליבה. תגובת השרשרת התגברה מאוד, וגרמה בין השאר להתעוותות מוטות הבקרה, שנתקעו כך שרק הגרפיט היה בתוך הליבה. מנקודה זו והלאה איננו יודעים בוודאות מה התרחש בליבה, אלא רק שעוצמתה של תגובת השרשרת התגברה באופן בלתי נשלט, עד שהסתיימה בפיצוץ שעוצמתו שקולה לכמה טונות של חומר נפץ.
לגבי מקורו של פיצוץ זה יש כמה תיאוריות. לפי הנפוצה מביניהן, הגורם לפיצוץ היה הצטברות לחץ עצום של קיטור עקב אידוי כל מי הקירור בליבה; לחץ זה הוביל לפיצוץ ליבת הכור ולהעפה של גג המבנה, ששקל כ-1,000 טונות, אל האוויר. לאחר כמה שניות התרחש פיצוץ חזק עוד יותר, אשר ככל הנראה נגרם גם הוא מלחץ קיטור גבוה מדי. פיצוץ זה ניפץ את מרכיבי הליבה לרסיסים, העיף חלקים ממנה אל גג המבנה וחיסל את תגובת השרשרת: עקב הריסת התצורה של הכור וסילוק חלק גדול מהגרפיט, תגובת השרשרת הגרעינית כבר לא יכלה להימשך. אלא שבשלב הזה, כבר היה מאוחר מדי: הליבה נפרצה וכמויות עצומות של חומרים רדיואקטיביים שהיו בתוכה נחשפו לאוויר. התחוללה שריפה, שגרמה להתפזרות חלק ניכר מהחומרים הרדיואקטיביים אל הסביבה דרך העשן שנפלט מגג הכור הפתוח. כך התחוללה התאונה הגרעינית הקשה ביותר בהיסטוריה.
כור בארון מתים
מאחר שמטרתנו כאן היא להבין את הגורמים לפיצוץ הכור, לא נמשיך ונספר מה קרה לאחר האסון. עם זאת, נציין בקצרה כי אסון גדול בהרבה נמנע הודות למאמציהם של כבאים אמיצים, שכיבו את השריפה וחלקם שילמו על כך בחייהם עקב חשיפה לקרינה. לאחר מכן גויסו למאמץ חיילים ובעלי תפקידים אחרים, שמנעו התפוצצויות נוספות בכור ושחרור עוד חומרים רדיואקטיביים לסביבה, וכך נמנעה החמרה נוספת של האסון. מבנה בטון הקרוי "הסרקופג" ("ארון המתים") נבנה מסביב לכור, כדי להכיל את הליבה ואת החומרים הרדיואקטיביים שבתוכה, ובשנים האחרונות נבנה סביבו מבנה חדש, האמור לשרוד כמאה שנים. האזור ברדיוס 30 ק"מ מסביב לתחנה פונה מתושבים, שמנו כמה מאות אלפים. אזור זה הוא רדיואקטיבי עד היום, אומנם לא במידה שתגרום למחלת קרינה או לסכנת חיים מיידית, אך כן במידה המגדילה מאוד את הסיכון לסרטן אצל אנשים השוהים בו זמן ממושך. הזיהום צפוי להימשך עוד מאות שנים: החומר הרדיואקטיבי העיקרי שנותר באזור כיום הוא צזיום-137, שמחציתו מתפרקת לאחר כ-30 שנה. באופן מפתיע, דווקא בעלי חיים משגשגים באתר האסון, עקב חוסר ההתערבות מצד בני אדם.
חשוב לציין כי אי אפשר להשוות את האסון באופן ישיר לפיצוץ גרעיני, כפי שאירע למשל בהירושימה, מכמה סיבות: ראשית, הרכב החומרים הגרעיניים שדלפו אינו זהה לחלוטין בשני המקרים. שנית, פיצוץ גרעיני מתרחש בדרך כלל, וכך היה גם בהירושימה, בגובה של כמה מאות מטרים לפחות ולא סמוך לפני הקרקע. התוצאה היא שרוב הנשורת הגרעינית הנוצרת אינה מגיעה לקרקע אלא עולה ומתפזרת באוויר, ורק מיעוטה שוקע במקום הפיצוץ. כיום, הירושימה אינה רדיואקטיבית יותר מסביבתה. לעומת זאת, בצ'רנוביל רוב הנשורת נחתה באזור הקרוב לכור, ולכן הייתה מרוכזת ומסוכנת יותר. נוסף על כך, היא גם נחתה זמן קצר מאוד לאחר השריפה; זאת בניגוד לנשורת מפיצוץ, העשויה לשהות שבועות וחודשים באטמוספרה, ועד הגיעה לקרקע היא כבר הרבה פחות מסוכנת, שכן המרכיבים הרדיואקטיביים והמסוכנים ביותר שבה, כמו היוד הרדיואקטיבי, כבר התפרקו.
בסך הכל, לפי הדיווחים הסובייטיים הרשמיים, 31 איש נהרגו באסון עצמו: שני אנשים נהרגו בפיצוץ ועוד 29 אנשים נחשפו לרמות קטלניות של קרינה, שהובילה למותם בתוך חודשים אחדים. כמה מהמפעילים בחדר הבקרה נמנו עם ההרוגים האלה. מספר הקורבנות הלא-ישירים של האסון אינו ברור כל כך. לפי ההערכות המקובלות, עשרות אלפים חלו בסרטן או סבלו מפגיעות קרינה אחרות, מהם כמה אלפים מתו או עתידים למות מסרטן כתוצאה מהחשיפה לקרינה. רבים מהנפגעים חלו בסרטן בלוטת התריס, הנגרם עקב חשיפה ליוד רדיואקטיבי, מחלה שברוב המקרים אינה קטלנית.
האם תיתכן עוד צ'רנוביל?
לאחר שצללנו לעומק המתרחש בכור והבנו את הסיבות לפיצוץ, נשאלת השאלה המתבקשת: האם זה עלול לקרות שוב? התשובה היא, ככל הנראה, לא: כיום המודעות לאמצעי הבטיחות רבה יותר, הכורים בטוחים יותר ותאונה מהסוג שקרה בצ'רנוביל אינה יכולה להתרחש בהם (במיוחד במדינות המערב, שבהן אסור להפעיל כורים הסובלים מן החולשות שתיארנו כאן). כמובן, לא ניתן לשלול לחלוטין תאונות מסיבות אחרות, כפי שקרה למשל בפוקושימה ב-2011: גל צונאמי גדול בהרבה מהחזוי, שנגרם עקב רעידת האדמה הרביעית בעוצמתה בהיסטוריה המתועדת והחזקה ביותר בהיסטוריה של יפן, גרם לפגיעה במערכות הקירור בכור והוביל בסופו של דבר להתכה חלקית של הליבה ולשחרור חומרים רדיואקטיביים לסביבה, אם כי בכמות קטנה בהרבה מאשר בצ'רנוביל וללא הרוגים ישירים.
למרות הכל, נראה כי אנרגיה גרעינית היא עדיין מענה חשוב לבעיית האנרגיה העולמית, ואין לשלול אותו בקלות ראש. זהו מקור אנרגיה זמין, שאינו מזיק לסביבה בפעילות שוטפת ואינו צפוי לאזול במאות השנים הקרובות. האם האנושות תבחר ללכת בכיוון זה? השיקולים הם לא תמיד ענייניים, ובמקרים רבים מושפעים מצרכים פוליטיים ותדמיתיים, ומתפיסות ציבוריות המסתמכות פחות על ידע ויותר על תחושות.
אורי טייכמן, סטודנט לתואר שני בכימיה במכון ויצמן וכתב באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי
לפנייה לכתב/ת 
