Andi Hektor, Kristjan Kannike
Seda suundumust hoogustab maailma nälg uute süsinikuvabade energiaallikate järele. Ainult tuule- ja päikeseenergeetikast ei piisa, need ebastabiilsed energiaallikad vajavad elektrivõrgus enda kõrvale kontrollitavat elektritootmist. Pealegi suurendavad tehisintellekti jaoks mõeldud suured arvutuskeskused elektritarvet lausa hüppeliselt. Näiteks USA eelmise aasta arvutuskeskuste energiavajadus kasvas mitme Eesti tarviduse võrra.
Alanud on võidujooks uute tuumatehnoloogiate arendamisel. Palju räägitakse väikestest moodultuumajaamadest, mille rajamisele Eestis mõtleb ka kohalik ettevõte Fermi Energia. Hoogsalt on asutud arendama uue põlvkonna tuumareaktoreid, mis on ohutumad, tekitavad vähem tuumajäätmeid ja mõnel juhul suudavad tekitada 500–900 °C soojust. Seda sobiks otse kasutada keemia- ja metallitööstuses ja merevee magestamiseks.
Kahjuks on maailma suurim tuumaenergiatootja Euroopa jäänud selles võidujooksus pigem USA ja Hiina sabas sörkima. Siiski, mõnes tuumatehnoloogiavallas on Euroopa suutnud ennast eesliinil hoida. Üks selline on loo peategelane, alakriitiline tuumareaktor. Aga kõigepealt teeme selgeks mõned tuumaenergeetika põhimõtted.
Tuntuim tuumakütus on raskmetall uraan, täpsemalt selle üks isotoop U-235, mida looduslikus uraanis on 0,7%. Kui U-235 isotoobi aatomituum neelab neutroni, laguneb ta kaheks kergemaks aatomituumaks ja eraldub omakorda kaks või kolm neutronit. Kergemad tuumad ja neutronid lendavad suure hooga laiali: lõhustumisel vabaneb suur hulk energiat. Tekkinud neutroni võib omakorda neelata uus uraanituum ja kõik hakkab otsast peale – toimub ahelreaktsioon. See on reaktsioonide jada, kus reaktsiooni saadus viib uute reaktsioonide tekkeni. Looduses levinum U-238 (ülejäänud 99,3% looduslikust uraanist) või toorium ei tekita piisavalt uusi neutrone ja seega nende puhul ahelreaktsiooni ei toimu.
Uraanituuma lõhustumine: neutroni (n) neelanud uraani tuum (U) laguneb kaheks kergemaks, näiteks baariumi (Ba) ja krüptooni (Kr) tuumaks ning kaheks või kolmeks neutroniks. Joonis: MIKERUN / WIKIPEDIA
Kui uraanitükk on väike, lendab enamik neutroneid sellest välja ja uusi reaktsioone on üha vähem. Tegu on alakriitilise reaktsiooniga, mis sureb kiiresti välja. Piltlikult võib seda võrrelda tule tegemisega ahjus. Raske on põlemas hoida ühte puuhalgu, sest põlemise alustamiseks vajalik soojus hajub enne, kui see suudab süüdata uut materjali. Kui halge on palju, siis tekkiv soojus süütab piisavalt palju uut materjali, et põlemine saaks jätkuda.
Uraanitükki suurendades saame luua olukorra, kus kahest-kolmest neutronist keskmiselt ainult üks tekitab uue lõhustumise. Sel juhul on reaktsioon „kriitiline”: ahelreaktsioon toimub, kuid samas ei kasva. Igas ajaühikus eraldub sama palju energiat ehk reaktori võimsus on püsiv. Nii tuumareaktor tavaliselt töötabki. Olukord on sarnane ahjus rahulikult põlevate halgude omaga.
Tuumalõhustumise ahelreaktsioon uraanis. Uraani tuum, mida tabab neutron, lõhustub kaheks kergemaks aatomituumaks ja neutroniteks. Mõni neist neutronitest tabab omakorda uraani tuumi (mustad nooled), mõned lähevad kaduma (sinised nooled). Ka tekkinud kergemad tuumad võivad kiirata neutroneid (punased nooled). Kui protsessi miski ei pidurda, lõhustub igas järgus üha rohkem tuumi ja reaktsioon on plahvatuslik. Joonis: MIKERUN / WIKIPEDIA / ERIN O’DONNELL / MSU
Kui lõhustumisel tekib keskmiselt rohkem kui üks neutron, mis lõhestab järgmise tuuma, siis on tegu ülekriitilise reaktsiooniga. Selline reaktsioon toimub näiteks tuumapommis, kus kuni 80 ahelreaktsiooni põlvkonda läbitakse vähem kui mikrosekundiga. Mõistagi oleneb kriitilisus uraanitüki kujust. Uraanist tehtud fooliumist pääseksid pakku peaaegu kõik neutronid. Kõige vähem põgeneb neutrone kerast, sest selle pindala on ruumalaga võrreldes kõige väiksem. Tuumarelva jaoks üle 90% rikastatud uraanist kera kriitiline mass on umbes 50 kg, kera läbimõõt umbes 10 cm.
Õnneks ei teki osa tuumalõhustumist põhjustavaid neutroneid mitte kohe, vaid viivitusega, kui omakorda lagunevad uraanituumade lagunemisel tekkinud kergemad tuumad. Ühtlasi saab kasutada materjale, nagu süsinik või vesi, mis aeglustavad neutroneid ja toimivad neutronivoo ühtlustajana. Reaktsiooni saab ka kontrollida, liigutades reaktorisse tuumkütuse neutrone neelavaid materjale, nn kontrollvardaid. Ülekriitiline olek põhjustaks tuumkütuse ülekuumenemise ja sulamise. Klassikalise kriitilise tuumareaktori korral on tegu köietantsuga: kui reaktsioon läheb liiga hoogsaks, siis sulaks reaktor, kui reaktsioon jääb liiga aeglaseks, siis reaktor seiskub.
Nüüdisreaktorites hoitakse kriitilisust füüsikaliste nähtuste toel. Näiteks keevveereaktoris läheb vesi (nii soojuse väljakandja kui ka neutronite aeglusti) aktiivsemalt keema, kui reaktsioon muutub kiiremaks. Tekkinud aurumullid aga vähendavad reaktsiooni efektiivsust ja seetõttu jäävad tuumareaktsioonid aeglasemaks. Tuumaenergeetikas kutsutakse seda tüüpi reaktoreid negatiivse tagasisidestusega reaktoriteks.
Veel ohutum võiks olla alakriitiline tuumareaktor. Kuidas selline reaktor suudab ennast töös hoida, kui seal pole ahelreaktsiooni jätkamiseks piisavalt neutrone, küsib nüüd tähelepanelik lugeja. Trikk seisneb selles, et neutroneid lastakse reaktorisse väljastpoolt. Kui välist neutronivoogu suurendada, siis toodab reaktor rohkem energiat, ja kui vähendada, siis vähem energiat.