לפני 2 מיליארד שנה פעל באפריקה כור גרעיני יחיד מסוגו. חוקרים עדיין לומדים את הסודות שלו

במאי 1972, עובדים בכור האטומי טריקסטין שבצרפת ניגשו להעשיר אורניום שרכשו ממכרה בגאבון שבאפריקה. הם גילו שהדגימה שלהם מכילה פחות אורניום 235 מכפי שהיא אמורה. "כל דגימה של אורניום מכל מקום בכדור הארץ אמורה להכיל כ-0.072% אורניום 235, שהוא המעניין לכורים גרעיניים ולפצצות", אומר פרופ' רני בודניק מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה במכון ויצמן. "אבל הדגימה הזאת הכילה פחות".

האם מישהו רימה את עובדי הכור בצרפת? לא, הרי אי־אפשר להוציא את האורניום 235 מהדגימה ולשמור אותו בצד. האם מישהו כבר השתמש בחומר הזה לכור? גם זה לא נראה סביר, הרי הוא נלקח ישירות מהאדמה. המסקנה המתבקשת הייתה שבגאבון פעל כבר לפני 2 מיליארד שנה כור גרעיני טבעי.

● אם השתלטות על החומר הגרעיני של איראן היא מהלך הסיום, זה מה שיידרש
● ישראל כבר הייתה אמורה להיפרד מהנפט - אולי השנה זה יקרה?

הסיכוי שיתקיימו בטבע כל התנאים הדרושים להיווצרות כור גרעיני נמוכים. מאז הגילוי חיפשו חוקרים כורים נוספים כאלה, אבל עד היום הוא היחיד מסוגו שנמצא. אבל לא רק עצם הגילוי של הכור היה מסעיר. הסיפור נעשה מעניין עוד יותר עם גילוי הסודות שלו. התברר שהתהליכים שהתרחשו בו יכולים לענות על שאלות פרקטיות שמעסיקות חוקרים גם היום, אבל גם על שאלות עקרוניות יותר. ביניהן אחת השאלות הכי חשובות להבנת היקום: האם חוקי הפיזיקה עצמם השתנו במיליארדי השנים שעברו?

לכור באתר אוקלו שבגאבון, סמוך לפראנסוויל, הייתה תרומה גדולה להבנת הנושא הזה, ויש חוקרים שאומרים שהוא עוד לא סיפר לנו את כל סודותיו. רק לאחרונה פורסם מאמר שמפציר בקהילה המדעית לחזור ולחקור את הכור בכלים חדשים שפותחו בשנים האחרונות. בימים אלה, שבהם המילה גרעין נזרקת לאוויר בהקשרים מפחידים, מעניין לגלות שהוא גם יכול ללמד אותנו דברים חדשים ומרתקים על העולם.

ואז נוצרת פצצה: איך עובד כור גרעיני

כדי להבין מדוע הכור באוקלו תרם תרומה כל כך משמעותית לפיזיקה, יש להבין תחילה מה זה בדיוק כור גרעיני, ואיך הוא עובד.

"בכור יש חומר בקיע בכמות מסוימת", מסביר בודניק. "זה חומר שכאשר נויטרונים נכנסים לגרעין שלו הוא מתפרק ופולט אנרגיה ועוד נויטרונים. אם החומר הבקיע נמצא בצפיפות גבוהה, ונניח שעל כל נויטרון שנכנס לגרעין יוצאים שלושה נויטרונים ובזכות הצפיפות הם פוגשים עוד שלושה גרעינים, אז יהיה לנו במהירות גידול אקספוננציאלי במספר הביקועים ובכמות האנרגיה. וזו תהיה פצצה.

"אם אנחנו מצליחים לשלוט בצפיפות החומר, כך שעל כל נויטרון שנכנס נפלטים נויטרונים בכמות כזו שסטטיסטית רק אחד מהם פוגש עוד גרעין, והיתר הולכים לאיבוד מבחינת המערכת, אז תיווצר לנו כל הזמן כמות קבועה של אנרגיה, ואז יהיה לנו כור. מדובר באנרגיה בכמות גבוהה מאוד. אותה אנרגיה שמפיקים מטון של פחם ניתן להשיג מגרם אחד של חומר בקיע.

"אם החומר לא צפוף, ומדי פעם גרעין אחד פולט נויטרון אבל הוא בדרך כלל לא פוגש גרעין בקיע נוסף אלא סתם הולך לאיבוד, אז פשוט יש לנו חומר בקיע שבהדרגה הולך ומתפרק, בלי לעשות דרמה".

 פרופ' רני בודניק / צילום: תמונה פרטית

החומר הבקיע המדובר ביותר בימים אלה הוא כמובן אורניום 235. זה גם החומר שהתבקע בכור באוקלו. האורניום עצמו נוצר מפיצוצי כוכבים זמן רב לפני מערכת השמש. כשכדור הארץ נוצר, כבר היה עליו את כל האורניום שיהיה עליו אי פעם. מאז, הוא הולך ומתבקע.

זמן מחצית החיים של אורניום הוא סביב 700 מיליון שנה, וכדור הארץ הוא בן 4 מיליארד שנה, כלומר רוב האורניום 235 שהיה עליו בתחילת הדרך כבר התבקע, אבל לא כולו. עדיין ניתן למצוא כמות מסוימת ממנו בטבע, ולכרות אותו כדי להשתמש בו בין היתר ליצירת כורים ופצצות.

"כשקונים אורניום ממכרה, מקבלים תערובת של איזוטופים שמתוכה רק 0.07% מהכמות היא מה שאנחנו רוצים, והיתר הוא אורניום 238 שפחות מעניין אותנו", אומר בודניק. "זה מה שיש על פני כל כדור הארץ. כלומר, אנחנו קונים טון אורניום, ויש שם רק 7 ק"ג שמתאימים כדלק לכורים שיש לנו היום. את האורניום הזה אנחנו צריכים לצופף ולצופף, מה שנקרא להעשיר, עד שהנויטרונים שנפלטים מגרעין אחד יצליחו לפגוש גרעין שני. רמת ההעשרה הדרושה לכור היא 3%". לפצצה דרושה רמת העשרה גבוהה יותר.

כלומר, מתישהו בהיסטוריה של כדור הארץ כל האורניום היה בצפיפות המתאימה לכור?
"לפני 2 מיליארד שנה, שזה בערך מתי שמעריכים שהכור הטבעי באוקלו היה פעיל, הצפיפות של האורניום אכן הייתה סביב 3% באופן טבעי. אבל זה לא אומר שהיה כור בכל מקום שבו היה אורניום. יש כמה תנאים נוספים שצריכים להתקיים כדי שיווצר כור, ובני האדם משקיעים המון מחשבה והרבה מיליארדים של דולרים כדי לקיים אותם.

"למשל, כאשר נויטרונים מתנגשים במים, הם נעשים איטיים יותר, ואז הם יותר מתאימים לעשות ביקוע. באזור אוקלו ירד גשם שהקיף את האורניום בדיוק בצורה שמאפשרת לו להיות כור, בטמפרטורה נכונה. ואז התחילו להיווצר שרשראות הביקוע, ונוצרה אנרגיה, המים התאדו, והפעילות הגרעינית הפסיקה. ואז שוב ירד מתישהו גשם בכמות מספקת, ושוב התחילה פעילות הכור, והופסקה, כך לאורך מאות או אלפי שנים. לבסוף, כשכמות האורניום 235 ירדה מתחת לרף מסוים, הסיפור נגמר".

איך יודעים שזה בדיוק מה שקרה?
"ברגע שהתקבלה התוצאה בצרפת, חיפשו ומצאו בסביבת הכור עוד חומרים שמושפעים מביקוע גרעיני והפגזה בלתי פוסקת של נויטרונים, והם התנהגו בדיוק כמו שהיינו מצפים מסביבה שהייתה פעילה ככור גרעיני טבעי במשך המון שנים".

אז היום הוא כבר לא כור.
"לא, היום הוא רק מכרה אורניום קצת פחות יעיל מאחרים, וניסוי מרתק בפיזיקה וכימיה".

 שרידים מכור אוקלו, שנתרמו ל־Natural History Museum בווינה / צילום: אתר הסוכנות לאנרגיה אטומית

החוקר שהפך אנקדוטה מדעית לשאלה קיומית

אחרי שנמצא הכור, החלו חוקרים להתייחס אליו כניסוי טבעי בתהליכים גרעיניים. למשל, הוא אפשר לבדוק מה קורה לפסולת גרעינית לאורך זמן. התברר שתוצרי הביקוע, היסודות הכימיים צסיום ובריום, נלכדו בתוך שברי אבן העשויים בין היתר מרותניום, גם הוא תוצר ביקוע. החוקרים למדו מכך שיטה אפשרית חדשה לאגור פסולת גרעינית באופן יציב יחסית לאורך זמן. זה מעניין במיוחד בהקשר של צסיום, משום שהיום כורים מעשה ידי אדם בדרך כלל משחררים אותו לאטמוספירה, והוא יכול להוות סיכון. אוקלו הוא דוגמה לניסוי טבעי, שבו הבעיה הזאת טופלה. זה כנראה לא יקרה בכל כור, אלא רק בתנאים מאוד מסוימים שתעשיית הגרעין יכולה כעת לנסות לחקות.

זה כיוון מחקר פרקטי, אבל המדענים בתחום מתרגשים הרבה יותר מממצא אחר מאוקלו, שנחשב מכונן ובסיסי בפיזיקה של ימינו. מי שעומד מאחוריו הוא חוקר בשם פרימן דייסון, שפיתח מגוון תיאוריות והוכחות מפתח בפיזיקה, וגם הגה ניסויים מחשבתיים מעניינים. ביניהם "עץ דייסון", רעיון לצמח מהונדס גנטית שיכול לצמוח על אסטרואיד; "ספרת דייסון", שהציעה ציביליזציה בחלל שבונה את מקום מושבה סביב כוכב ומקבלת את האנרגיה שלה ממנו; ו"האינטליגנציה הנצחית של דייסון", שעוסקת בשאלה כיצד ניתן לקיים ישויות אינטליגנטיות לנצח, גם מעבר לסוף היקום, באמצעות הארכת הזמן הסובייקטיבי לנצח תוך שימוש בכמות סופית של אנרגיה.

בחזרה לכור, דייסון הבין שבעצם יש לפניו ניסוי טבעי שמציג לנו פיזיקה שהתקיימה לפני 2 מיליארד שנה. ואם נחקור את הכור, נוכל להבין אם חוקי הפיזיקה של אז נשמרו במדויק עד ימינו. "צריך מוח מאוד יצירתי כדי לקחת אנקדוטה מדעית כמו הכור הזה ולהבין איך אפשר להשתמש בה כדי להתמודד עם שאלות קיומיות", אומר בודניק.

גילוי שמאתגר את תורת הקוואנטים

אחת השאלות היא האם "קבוע המבנה הדק" (Fine structure constant), שמהווה חלק בלתי נפרד ממודלים בסיסיים רבים בפיזיקה (ומבחינת האדם מהיישוב אפשר לומר שהוא מגדיר בין היתר את טעם האוכל ואת הצבעים בעולם) - האם הוא אכן קבוע.

לדברי פרופ' תומר וולנסקי, מהמחלקה לפיזיקה של חלקיקים באוניברסיטת תל אביב, "הכור למעשה הקרין את כל הסביבה שלו בנויטרונים לאורך הרבה זמן. אנחנו יודעים שיש יסוד בשם סמריום, שיש לו כמה איזוטופים. בסביבת הכור מצאו סמריום 147, ואנחנו יודעים שבמקומות אחרים שבהם היסוד הזה נמצא אמור להיות גם סמריום 149. אבל בסביבת הכור, האיזוטופ הזה היה חסר. ההסבר הסביר היחיד לכך הוא שהסמריום בלע את הנויטרונים מהכור.

"אנחנו יודעים שסמריום 149 יכול לתפוס נויטרונים בצורה מאוד מוצלחת ולהיעלם, בגלל מאפיינים מסוימים שלו, שתלויים ב'קבוע המבנה הדק'".

 פרופ' תומר וולנסקי / צילום: תמונה פרטית

אז מה זה אומר?
בודניק: "החישובים של דייסון והקבוצה שלו מהכור באוקלו הצליחו להגדיר שלאורך 2 מיליארד שנה, קבוע המבנה הדק לא השתנה לפחות בסדר גודל של 1 ל־100 מיליון.

"פיזיקאים רבים השקיעו המון כסף בניסויים שניסו לזהות שינויים מאוד מאוד מאוד קטנים, אפילו יותר קטנים ממה שבדק דייסון, בקבוע המבנה הדק, אבל הם יכלו לבחון זאת לאורך יום, שבוע, שנה. אם מראים שהוא לא השתנה לאורך 2 מיליארד שנה, זו תוצאה מסדר גודל אחר לגמרי".

וולנסקי: "אוקלו מהווה חסם חזק במיוחד על האפשרות לשינוי של קבועי הטבע לאורך זמן. בפיזיקה של אנרגיות גבוהות קיימת מוטיבציה רבה לבחון אם קבועים אלה אכן משתנים, שכן שינוי כזה עשוי לסתור את המודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים ולהכווין אותנו לעבר תיאוריה מדויקת ושלמה יותר של הטבע. בפרט, במסגרת תיאוריות כמו תורת המיתרים, המבקשת לאחד בין תורת היחסות הכללית לבין מכניקת הקוונטים, קבועי הטבע אינם בהכרח קבועים. התוצאות מאוקלו מאפשרות לשלול חלק מהתיאוריות החוזות שינוי בקבועים על פני פרק זמן של כשני מיליארד שנה".

וולנסקי מספר שהתוצאה של אוקלו מעניינת גם בהקשר של מחקר אחר שפורסם לפני כשנה ועשה רעש גדול בעולם הפיזיקה. "לפני כמה שנים התקבלו תוצאות מניסוי בשם DESI, ספקטרוסקופ לחיפוש אנרגיה אפלה. DESI עשה מיפוי של עשרות מיליוני גלקסיות וקוואזרים, שהם חורים שחורים מסיביים מאוד הנמצאים במרכזי גלקסיות, סופחים כמויות גדולות של חומר ומלווים בפליטה אדירה של אנרגיה. הקווזארים האלה מאפשרים לנו להסתכל אחורה בזמן, להסיק איך היקום מתפשט ולהבין איך כמות האנרגיה האפלה ביקום משפיעה על קצב ההתפשטות.

"הממצאים העדכניים מלפני כשנה מראים לכאורה שההשפעה של האנרגיה האפלה כן משתנה עם הזמן. זהו ממצא מאוד מפתיע, כי הוא סותר את מה שקוראים לו 'הקבוע הקוסמולוגי', זה שקובע לא רק את קצב התפשטות היקום, אלא גם את האצת ההתפשטות כלפי חוץ.

"בעקבות הממצא הוצעו מגוון מודלים להסביר אותו, אבל הם צריכים להתאים גם לממצא מאוקלו, שאומר שקבוע המבנה הדק לא משתנה, לפחות לא 2 מיליארד שנה אחורה. השילוב של שני הממצאים מגביל מאוד את מספר המודלים שאנחנו יכולים לומר שאכן מסבירים את היקום שלנו. וזה הרי מה שאנחנו מנסים לעשות במדע וספציפית בפיזיקה - לשלול כמה שיותר אפשרויות עד שנגיע לזו שבאמת מתארת את העולם".

חוקרים חוזרים לכור אוקלו שוב ושוב

וולנסקי מציין שמאמר נוסף מוקדם יותר תיאר ממצא שלפיו מוקדם יותר מ־2 מיליארד שנה כן היה שינוי בקבוע המבנה הדק. "זה היה יכול להיות מעניין אם הייתה לנו תוצאה ביד שלפיה קבוע המבנה הדק השתנה לאורך מיליארדי שנים, ואז הפסיק להשתנות לעוד מיליארדי שנים. אבל עם הזמן רוב הפיזיקאים בתחום השתכנעו שהמדידות היו לא מדויקות".

מה לגבי קבועים אחרים?
בודניק: "שיטות המדידה כל הזמן מתעדכנות, והעולם ממשיך לחפש שינויים. עד היום לא מצאנו פרמטר שחשבנו שהוא קבוע והתברר שהוא משתנה. כל המחקר שלי תלוי בכך שהקבועים שבהם אני משתמש אכן קבועים, ובכל זאת לא אשים את הכסף שלי על זה שלא נתבדה בנושא הזה מתישהו. אם זה יקרה, זה יהיה אחד הדברים הכי מהפכניים שנוכל ללמוד לגבי הפיזיקה בימי חיינו".

מדוע נחוץ לחזור למדוד את התוצאות מאוקלו בכלים יותר מדויקים?
וולנסקי: "בעבר עלו כל מיני אי־ודאויות לגבי הממצא מאוקלו, אבל בכל פעם אושרר הממצא שקבוע המבנה הדק לא השתנה. עם זאת, שיטות המדידה משתפרות ואפשר לגלות עוד ממצאים".