Rohkem kui pool sajandit on püüdnud maailma füüsikud ja insenerid termotuumareaktsiooni juhitavaks muuta.

Teatavasti on olemas kahte liiki tuumareaktsioone. Raskete, näiteks uraani tuumade lõhustamine on kasutusel olnud juba aastakümneid tuumareaktorites, ja sellega saab inimene hakkama. Mitmetes maades, nagu Leedus, Prantsusmaal ja Slovakkias on lõviosa tänapäeva elektrienergiast toodetud just seda tüüpi reaktorites. Raskem on kergete tuumade, näiteks vesiniku või selle isotoopide – deuteeriumi ja triitiumi tuumade ühinemisreaktsiooni juhtimine. Ent ka sel juhul eralduvad suured energiahulgad, mida võiks kasutada elektrienergia saamiseks, kui vaid seda teha osataks.

Termotuuma- ehk vesinikupomm on tuntud lõhkeseadeldis, kus pauk käib äkki ja purustustagajärjed on kohutavad. Et aga niisugust laadi reaktor pisitasa käiks ja igapäevast energiat annaks, seda veel korraldada ei osata. Milles siis raskused? Häda on selles, et positiivse laenguga aatomituumi tõrjuvad üksteisest eemale elektrilised tõukejõud. Nende ületamiseks tuleks viia tuumad üksteisele nii lähedale, et ühinemisreaktsioon tugevate tuumajõudude toimel saaks ikkagi toimuda. Aga see juhtub vaid sadade miljonite kraadide ja ülikõrge rõhu puhul, nagu see toimub tähtedel, sealhulgas ka Päikesel.

Tähtede termotuumareaktsioonides ühinevad neli vesiniku tuuma heeliumi aatomi tuumaks (nn Bethe tsükkel) just sadade miljonite kraadide juures. Seal puudub vesiniku aatomeil elektronkasukas, tuumad ja elektronid moodustavad omamoodi supi ehk plasma. Just selles supis ületatakse kõrge temperatuuri tingimustes elektriliste tõukejõudude barjäär ning tuumad ühinevad – kulgeb termotuumareaktsioon, kusjuures heeliumiaatomite tuumade ja neutronite kõrval vabanebki tohutu energia. Peavalu teeb teadlastele asjaolu, kuidas tekitada ja säilitada niisugust ülikuuma plasmat Maal, sest ükski materjal niisugusele valule vastu ei pea.

Tokamakkidele tuginedes

1960. aastatel töötati endises N Liidus välja magnetelektriline seade tokamak (vene tok – vool, kamera – kamber, magnitnõje katuðki – magnetpoolid). Tokamaki plasmakonteiner on ümbritsetud mähistega, kus kulgeb ülitugevaid magnetvälju tekitav miljonitesse ampritesse ulatuv vool. Plasmakonteiner valmistatakse seejuures õõnsa rõnga kujuline ja seda ümbritsevatest mähistest voolu läbilaskmisel tekitatud magnetväli hoiabki ülikuuma plasma rõnga seintest eemal. Sama tüüpi seadmeid ehitati ka USA-s, Jaapanis, Inglismaal ja Prantsusmaal. Aga kõikjal on olnud esile kerkinud ühesugune häda – niisuguse seadme kasutegur on tunduvalt väiksem kui 1, st et tokamakkide käivitamiseks ja töös hoidmiseks kulutatakse energiat rohkem, kui sealt õnnestub tagasi saada. Seega on tööstusliku seadme loomiseni jäänud ikkagi veel, vaatamata paljude maade teadlaste jõupingutustele, käia pikk tee. Arvatakse, et seni välja töötatud seadmed on olnud mõõtmetelt liiga väiksed. Sest olulist rolli mängib siin plasma tihedus ja püsivus. Katsed on näidanud, et plasmajoa raadiuse suurenedes kasvab plasma püsivus võrdeliselt raadiuse ruuduga. Järelikult peaks seadme mõõtmete suurenemisega saavutatama ka plasmajoa nõutav püsivus.

Euroopa, USA ja Jaapani pingutused

1980. aastatel ehitatigi Suurbritannias seni vägevaim tokamak-tüüpi termotuumaseade, mis sai nimeks JET (Joint European Torus). Samalaadsed seadmed rajati ka USA-s ning Jaapanis. Need on käigus tänaseni. Samas tunnetati, et üksi nokitsedes asi eriti kiiresti edasi ei liigu – jõud tuleks ühendada. Pealegi näitasid USA ja Suurbritannia uuringud 1990. aastate lõpul, et niisuguste seadmete väljundenergia on siiski küllalt arvestatav. Näiteks saadi JET-il iga sissepandud 25 megavati võimsuse kohta juba 16 megavatti kasulikku võimsust. Puudu jääb veel palju, aga jõuti järeldusele, et otstarbekas oleks ühendada rahad ja ajud ning ehitada nii suur jõumasin, kus suudetaks plasmat säilitada tunduvalt pikema aja jooksul kui seni.

Euroopa riigid ning nende rahvusvahelised partnerid USA, Venemaa, Jaapan ja Kanada peavad parimaks arenguteeks ehitada järgmise põlvkonna eksperimentaalne suurrajatis ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor ehk Rahvusvaheline Termoduuma Eksperimentaalreaktor; huvitava kokkusattumuse tõttu tähendab ld iter – tee, rada). Selle aluseks on seniste, eeskätt JET-il tehtud eksperimentide edukus. ITER on järgmine samm teel turvalise ja säästava termotuumaenergia poole.

Termotuumasünteesi alast teadustööd Euroopa Liidus ja assotsieerunud riikides koordineeritakse ühtse Euroopa programmi raames. Peaaegu 2000 teadlast ja inseneri enam kui 20 laboris töötavad praegu laiahaardeliste termotuumasünteesi alaste projektide kallal. Euroopa Aatomienergiakoondise ehk EURATOM-i 2002.–2006. aastaks kavandatud raamprogrammi eelarve on 750 miljonit eurot, sealhulgas kulub 200 miljonit eurot ITER-seadme ehitamiseks.

Ehituspaigaks Prantsusmaa või Jaapan

Nüüdseks on ITER-i projektist lahkunud Kanada, kuna sealne valitsus ei leidnud projektis osalemiseks vahendeid. Lisandunud on aga Hiina ja Lõuna-Korea. ITER-i ehitamiseks on praegu kaks kindlamat kandidaati: Cadarache Lõuna-Prantsusmaal ja Rokkasho-mura Põhja-Jaapanis. Rahvusvaheliste ekspertide ja Euroopa Liidu arvates peetakse tugevamaks kandidaadiks Cadarache’i, sest see paik on paremini välja arendatud. Lisaks on Lõuna-Prantsusmaal Jaapani ees ka objektiivsed eelised, milleks on eeskätt seismiline stabiilsus. Jaapan on ju teadagi üsna vappuv paik.

Oluline on ka, et Euroopa teadlaste ja inseneride termotuumasünteesi alaste uuringute senised tulemused on maailmas üldtunnustatult juhtival positsioonil. Seepärast toetavadki Euroopa riigid, Hiina ja Venemaa praegu Prantsusmaa kandidatuuri, USA ja Lõuna-Korea aga Jaapanit. Lõplikku konsensust asukoha suhtes pole delegatsioonide kohtumistel tänini veel saavutatud. Kokku on lepitud nn laiendatud lähenemises, sh kahe suurrajatise osas – ühte kohta ehitatakse ITER ja teisale selle väiksem koopia, kus õpetatakse personali ja töötatakse välja lahendusi ITER-i jaoks.

Peale selle kavandatakse kõnealuse projekti raames ehitada võimas kiirendi – rahvusvaheline termotuumamaterjalide uurimisseade, kus tekitatakse kõrgete energiatega neutroneid. Nendega kiiritatakse materjale, mida kasutatakse termotuumareaktori ehitamisel. Uus kiirendi on vajalik selleks, et olemasolevad pole andnud kas piisava energiaga neutroneid või on nende vootihedus liialt väike, et materjalide vastupidavust testida.

Kui termotuumapommis vabaneb energia hetkeliselt ja seda ei saa akumuleerida ega kontrollida, siis ITER-ile seatud eesmärk on saada 500-megavatine võimsus sissepandud 50-megavatise võimsuse arvelt, mis tähendaks kümnekordset võimendust. Juba 2014. aastaks tuleb valmis ehitada katse-ITER, mille lõplikuks maksumuseks on planeeritud 4,5 miljardit eurot. Seejuures peaksid uuringud ja arendustöö jätkuma, et realiseerida järgmine energiatootmise strateegiline element – elektrit tootev demo-jõujaam, mida nimetataksegi DEMO-ks.

Ammendamatud varud

Et deuteeriumi leidub looduses ammendamatutes kogustes, on see suurepärane alternatiiv eeskätt fossiilkütustele, mis hakkavad lõppema, ja ka tuumajaamade uraanikütusele. Teatavasti leidub ühes liitris vees 33 milligrammi deuteeriumi ja seda osatakse sealt ka kätte saada. Triitiumi on looduses vähem, seda on otstarbekas toota liitiumist viimase tuumade pommitamisel neutronitega. Liitiumigi on Maal piisavalt: umbes 20 milligrammi kilogrammi kohta maakoores ja sada korda vähem ookeanivees. Miks on vaja triitiumi? Asi on selles, et deuteeriumi ja triitiumi tuuma ühinemine toimub madalamatel temperatuuridel ja plasmatihedustel kui deuteeriumituumade omavaheline ühinemine, rääkimata siis olukorrast Päikesel, kus vesinikutuumad prootonite näol ühinevad temperatuuril, mille saavutamist maapealsetes tingimustes ei peeta vähemalt lähitulevikus võimalikuks. Triitiumi tootmiseks ümbritsetakse termotuumareaktor liitiumist tekiga, mida termotuumareaktsioonil vabanenud neutronitega pommitamisel saadaksegi triitiumi.

Arvestades, et ühe inimese eluaegse energiatarbe rahuldamiseks piisab termotuumasünteesi korral 10 grammist deuteeriumist ja 15 grammist triitiumist, näitab rehkendus, et 2050. aastal maakeral elava 9–10 miljardi elaniku jaoks ei kulu eriti palju termotuumakütust. Loomulikult ei piisa 500-megavatisest ITER-ist selleks, et varustada elektrienergiaga kogu maailma. Mõte on luua seade, mis oleks aluseks, et tulevikus saaks rajada termotuumajaama ükskõik millisesse maakera paika.

Eesti pole rongist veel maha jäänud

ITER ise on oma ehitusperioodil pigem projekt firmadele, mitte niivõrd teadlastele. Aga loomulikult peavad viimased osalema ekspertidena. Samaaegselt kavandatakse Euroopas tuumauuringute edasiarendamist ja jätkuvat finantseerimist. Uuringuid rahastab Euroopa Aatomienergiakoondis EURATOM, mis on üks kolmest vaalast, millele tugineb Euroopa Liit. Asjakohasele alusdokumendile pidi ka Eesti Euroopa Liiduga ühinedes alla kirjutama. Ülejäänud kaks vaala on Euroopa Söe- ja Terasekoondis ning Majandusühendus.

Eespool mainitud tööde koordineerimiseks on loodud Euroopa Termotuumasünteesi Arendamise Kokkulepe EFDA, milles osalevad paljude Euroopa riikide asjakohased assotsiatsioonid, teiste hulgas ka Läti oma. Eestil vastav assotsiatsioon veel puudub, ent kontaktid Euroopas on loodud ja moodustatud on initsiatiivgrupp, mille tegevust koordineerib Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi professor Aleksandr Luðtðik.

Hiljuti külastas Eestit Euroopa Komisjoni nõunik ja ekspert termotuumasünteesi alal Barry Green, kes kohtus siinsete teadlastega, kuulas nende ettekandeid ja esines ise loenguga. Eesti-poolsed sõnavõtud olid mõeldud selleks, et tutvustada meie teadustegevust, mis võiks tulevikus olla seotud termotuumasünteesi alaste töödega. Barry Greenile pakkusid erilist huvi Eestis tehtavad materjalide uuringud, meie IT-tase ja ka aerosoolidega tegelemine Tartu ülikoolis. Viimane seetõttu, et kiiritamise ja plasma moodustumise käigus tuleb osata materjalidest väljakistud ioone diagnoosida. Seega pole Eesti teadlased, eeskätt füüsikud, ITER-i rongist maha jäänud, kuigi valitud seltskonda pääsemine pole kerge. Igal juhul tuleb 2007. aastal alustatavas uues termotuumasünteesi raamprogrammis osalemiseks oma töid tutvustada ja taotlus esitada. Selle põhjal otsustatakse, kas sobime nende teadlaste hulka, kes hakkavad lahendama tuleviku energiaprobleeme. Igal juhul annaks see Eesti noorteadlastele suurepärase eneseteostusvõimaluse. Sest nagu ütles jutuajamisel Füüsika Instituudi laborijuhataja Enn Realo, on väike nokitsemine oma erialal küll tore ja huvitav, kuid osalemine niisuguses suures ettevõtmises, mis võib ära lahendada terve inimkonna energeetikaprobleemi väga kauaks ajaks, on juba tõsine väljakutse kogu eluks. Niikaugele jõudmiseks tuleb nii aruannetes kui ka käimasolevates projektides vastavatele Euroopa komisjonidele ja komiteedele tõestada, et oleme piisavalt head neis ettevõtmistes osalema.

EURATOM-i programmide raames on loodud ka uurimis- ja õppealased konsultatiivkomiteed, milles löövad kaasa praktiliselt kõikide Euroopa riikide esindajad. Eesti osaleb praegu nii termotuumasünteesi kui tuumalõhestumise alases komisjonis. EURATOM-i komisjoni üks Eesti-poolne liige ongi füüsika-matemaatikakandidaat Enn Realo. See on ka loomulik, sest tema uuringute ampluaa on väga lai – ulatudes keskkonna radioaktiivsuse ja kiirguskaitse uuringutest kuni radioaktiivsete jäätmete käitlemiseni välja. Nimetatud komisjoni kuuluvad veel haridus- ja teadusministeeriumi esindaja Rein Kaarli ning Eesti teadusataðee Brüsselis Toivo Räim.

Suur ühispingutus peaks kandma ka vilja

Praegu toodetakse enamik mis tahes eluvaldkonnas kasutatavast energiast fossiilkütustest – kivisöest, naftast ja gaasist, mis samuti kaudselt seotud termotuumasünteesiga meie algenergiaallikal Päikesel. Teine, väiksem osa saadakse tuumalõhustumise ja taastuvate energiaallikate – hüdro- ja tuuleenergia kaasabil ning biomassi põletamisel. Ent prognoositakse, et isegi energia säästmiseks tehtavate märkimisväärsete pingutuste korral kahekordistub energiatarve juba järgmise viiekümne aasta jooksul, seda suuresti rahvastiku juurdekasvu arvel.

Fossiilkütuste põletamisega kaasnevad teadagi veel oma probleemid – tekib süsihappegaas, mis neelab päikeskiirgust nagu kõik kasvuhoonegaasid. Sellest johtuvalt on omajagu muret globaalse kliimasoojenemise ja muude kahjustavate mõjude pärast. ITER luuaksegi eeskätt selleks, et tagada pikaajaliste, kindlate ja säästlike energiaallikate kogum, mis suudab vähendada energiatootmise kahjulikku mõju keskkonnale ja rahuldada kasvavat energiatarvet. Just termotuumasüntees võib pakkuda heitmevaba ja töökindla pikaajalise energiavarustuse, millel on mitmeid olulisi eeliseid muude energiasaamise võimaluste ees. Nimelt saab termotuumajaama ehitada nii turvalisena, et kontrollimatu tuumareaktsiooni või tuumareaktori südamiku sulamise tõttu õnnetusi ei juhtu. Seda esiteks. Teiseks – vajalikku kütust leidub kõikjal piisavalt ning termotuumajaama igapäevane käigushoidmine ei nõua radioaktiivsete materjalide transporti. Kolmandaks ei eraldu atmosfääri kasvuhoonegaase ning sobiva materjalivaliku puhul ei teki radioaktiivseid jäätmeid, mis oleksid pikaajaliseks koormaks järeltulevatele põlvedele.

Viimane küsimus

Enne kui Enn Realoga kohtumisel selle kirjatüki ülestähendamiseks ainest sain, värskendasin oma mälu termotuumasünteesi teel saadavale energiale pühendatud artiklite kaudu, mis avaldatud kunagi Horisondis. Leidsin, et 1970. aastate keskel kirjutasime oma ajakirjas sellel teemal korduvalt. Juba siis kinnitasid mitmed teadlased, et 20. sajandi lõpuks saab inimkond termotuumasünteesi taltsutamisega hakkama. Nüüd, mil selle temaatikaga kogu maailmas üheskoos uue hooga tegelema on hakatud, on termotuumajaamade ehitamine omakorda poole sajandi võrra edasi lükatud. Siit ka minu küsimus Enn Realole: kas võib lõpuks loota, et kauaoodatud reaktorid on alanud sajandi keskpaigaks valmis?

“Arvan, et lähema 20 aasta möödumisel saab alles selgeks, kas kõnesolev energiatootmise tokamak-mudel üldse töötab. Kui ei, siis tuleb sellele kriips peale tõmmata ja öelda, et peame midagi teisiti tegema. Valik toimub igal juhul. Raha, mis seotud ITER-i projektiga pole siiski nii suur, et sellest peaks kahju olema. Olgugi et fossiilkütused on 40–50 aasta pärast nähtavasti päris otsakorral, jätkub veel väga kauaks ajaks piisavalt tuumkütust uraani ja tooriumi näol. Uute kavade koostamiseni võimaldavad need edasi elada ja toota näiteks vesinikku, et katta ära nafta ja gaasi defitsiiti. Seda enam, et loomisel on ka oluliselt ohutumate tuumareaktorite uus põlvkond. ITER-i uuringute käigus saadakse igal juhul palju teada, kas või selleks, et edasi minna uute arenduste ja projektidega, mis kunagi inimkonna energiavajaduse juba määramata ajaks garanteerivad.”

Loodame parimat, sest termotuumasünteesikütused on inimsõbralikud ja ammendamatud.