Tuumareaktor ja tuumaenergeetika

Tuumade lõhustumist saab muuta juhitavaks, hoides selle tasemel, kus lõhustumisel tekkivatest neutronitest ainult üks tekitab uue tuuma lõhustumise, ülejäänud aga neelduvad või tekitavad muid tuumareaktsioone.

Lõhustuva tuumamaterjali osakaal tuumareaktoris on suhteliselt väike. Uraanireaktoris kasutatakse rikastatud uraani, s.t uraani, milles lõhustuvat uraani U-235 on umbes 3%. Looduslikus uraanis on peamiselt kaks isotoopi U-238 ja U-235, kusjuures viimase osakaal on ainult 0,7%. Osutub, et ka loodusliku uraaniga saab tuumareaktori tööle panna, kuid selle töö on suhteliselt lühiajaline, sest lõhustuvat ainet on vähe ja lõhustumise käigus tekib neutroneid neelavaid aineid juurde. Seetõttu tõstetaksegi lõhustuva uraani osakaalu.

Reaktoris töötavat uraani nimetataksegi reaktoriuraaniks. Mis puutub uraani rikastamisse, s.t lõhustuva uraani osakaalu tõstmisse, siis see on ülimalt kallis ja aeganõudev protsess, sest U-238 ja U-235 suhteline massierinevus on väga väike (natuke üle 1%) ja seetõttu on nende teineteisest eraldamine keeruline tehniline ülesanne. Pommis kasutatavat uraani aga nimetatakse pommiuraaniks. Selleks, et ahelreaktsioon pommis käivituks, peab pommiuraani rikastusaste olema üle 90%.

Tuumareaktsioonide juhtimiseks reaktoris on neutroneid tugevasti neelavast materjalist (kaadmium, boor) juhtvardad, mida siis vastavalt ahelreaktsiooni aeglustumisele või intensiivistumisele reaktori tööpiirkonnast, aktiivtsoonist, välja tõstetakse või uuesti sisse lastakse. Enne ahelreaktsiooni käivitamist on juhtvardad täielikult reaktori aktiivtsoonis, nad neelavad suurema osa neutronitest ega lase lõhustumisreaktsioonil tekkida. Reaktori käivitamiseks tõstetakse vardad osaliselt välja.

Kuna uraani isotoobi U-235 tuumad lõhustuvad intensiivselt just aeglaste neutronite toimel, siis kasutatakse tuumareaktorites aeglusteid. Need on ained, mille tuumadel põrkudes neutronid aeglustuvad nii kiirelt, et ballastiks olev U-238 neid ei neela (selleks sobivad grafiit, vesi, samuti raske vesi, milles tavaline vesinik on asendunud deuteeriumiga). Reaktoris tekkiv soojus juhitakse reaktorist välja vee, raske vee või mõne muu soojust hästi juhtiva soojuskandjaga. Reaktorites, kus soojuskandjana kasutatakse vett, täidab vesi ka neutronite aeglustamise rolli.

Tuumareaktoris tekib selle töötamisel palju radioaktiivseid aineid, mistõttu reaktorist väljub tugev radioaktiivne kiirgus, samuti ka väga intensiivne neutronkiirgus. Vältimaks kiirguse väljapääsu ja selle kahjulikku mõju ümbritsevale, on reaktor ümbritsetud massiivse betoonist varjega.

Tuumaelektri­jaama põhimõtteline skeem. Jaama põhiosaks on tuumareaktor (vasakul) tuum­kütuse, aeglusti ja juht­varrastega. Reaktorisse juhitav jahutusvesi muutub reaktoris auruks, mis juhitakse auruturbiinile. Auruturbiin paneb elektrivoolu tekitamiseks tööle generaatori, kondensaatoris muundatakse aur tagasi veeks.

Tuumareaktoreid kasutatakse energiaplokkidena tuumaelektrijaamades, aga ka laevadel (peamiselt allveelaevadel). Eraldi tuumareaktoreid ehitatakse ka lõhustuvate tuumamaterjalide plutoonium-239 ja uraan-233 tootmiseks (neid looduses ei leidu).

Maailma esimene tuumareaktor käivitati USA-s Chicagos 2. detsembril 1942. a. See näitas praktikas, et looduslikul uraanil saab tööle panna tuumareaktori. Esimene spetsiaalselt plutooniumi tootmiseks ehitatud reaktor käivitati 1943. aastal USA-s Hanfordis, kusjuures maailma esimene tuumakatsetus tehtigi plutooniumipommiga. Esimene tuumaelektrijaam ehitati endises Nõukogude Liidus (Obninskis, 1954).

Tänaseks töötab 31 riigis kokku umbes 450 energiaplokki-reaktorit (tuumajaamade arv on tunduvalt väiksem, sest tavaliselt on ühes jaamas 2–4 reaktorit) koguvõimsusega umbes 300 GW, mis on umbes 10% kogu maailma elektritoodangust. Tuumajaamade osa elektrienergia tootmises on kõige suurem Prantsusmaal (72%), järgnevad Slovakkia, Ukraina ja Ungari (50%–55%), teised riigid juba alla 50%. Võrdluseks huvitavamad – Rootsi (40%), Soome (32%), USA (19%) ja Venemaa (18%). Energiaplokke on kõige rohkem USA-s (99) ja Prantsusmaal (58).

Millised siis on tuumaelektri plussid ja mis miinused? Suurimaks plussiks on see, et tuumaelekter on suhteliselt odav. Kui võrrelda fossiilseid kütuseid kasutavat soojuselektrijaama tuumaelektrijaamaga, siis tavalise soojuselektrijaama ehitamine (sealhulgas ka põlemiskatlad) ei ole eriti kallis, nende kütus aga kallineb pidevalt, sest vähenevate looduslike varude ja tööjõu kallinemise tõttu tõuseb söe ja põlevkivi hind pidevalt ning see teeb kalliks ka toodetava elektri. Tuumaelektrijaamaga on vastupidi, selle ehitamine (eriti reaktori, mis peab ligi 40 aastat töötama üsna ekstreemsetes tingimustes) on ülimalt kallis, tuumakütus aga suhteliselt odav, mistõttu üsna pea peale käivitamist muutub tuumaelekter kivisöel või põlevkivil saadavast elektrist odavamaks.

Miinuseks on tuumaelektrijaamade ohtlikkus ümbritsevale keskkonnale võimalike katastroofide korral. Üheks näiteks on siin Tšornobõli katastroof 1986. aastal, kus töötajate hooletuse tõttu kuumenes reaktor üle, plahvatas ja paiskas atmosfääri suure koguse radioaktiivset ainet, mis kandus tuulega maailma laiali, sealjuures saastas veidi ka Eestit. Teiseks näiteks on Fukushima tuumajaama katastroof 2011. aastal, kus samuti pääses üsna suur hulk radioaktiivsest saastet atmosfääri ja ka ümbritsevasse keskkonda. Siin tekitas katastroofi oodatust tugevam maavärin, reaktor oli projekteeritud vastu pidama mõnevõrra väiksema tugevusega maavärinale. Eelöeldu tähendab seda, et tuumaelektrijaamades võivad toimuda katastroofid ja nende tagajärjed on raskesti likvideeritavad, sest radioaktiivne saaste jääb püsima aastakümneteks. Kui soojuselektrijaamad saastavad loodust, paisates kütuste põletamisel tohutul hulgal süsihappegaasi atmosfääri (selle vähendamiseks on tänapäeval kehtestatud nn saastekvoodid), siis tuumaelektrijaamadel on samuti üks suur puudus: reaktor toodab palju radioaktiivseid jääke, mis peale tuumkütuse „ärapõlemist” tuleb reaktorist eemaldada ja asendada värske tuumkütusega. Reaktorist eemaldatav aine on ülimalt radioaktiivne ja see kiirgab veel keskmiselt kolmkümmend aastat, enne kui selle aktiivsus on langenud tasemele, kus seda võib hakata lõplikult ladustama. Seetõttu ongi tuumajaamade peamiseks probleemiks radioaktiivsete jäätmete hoidmine ja ladustamine. Tuumajäätmeid ei saa lihtviisiliselt kohe sulgeda kinnisesse anumasse ja siis ladustada sügavale maa alla või merepõhja, sest algul on jäätmete kiirgus väga aktiivne, sellest eraldub ka radioaktiivseid gaase (näiteks radooni) ja kinnisesse anumasse panduna võivad need lõhkeda. Seetõttu tuleb neid aastakümneid hoida eraldi ruumides ja oodata, kuni radioaktiivse kiirguse intensiivsus ja gaaside eraldumine on oluliselt vähenenud ning alles seejärel on võimalik nende lõplik ladustamine.

Nagu eespool öeldud, kasutatakse tuumareaktoreid energiaallikana ka laevadel. Esimene tuumaenergial liikuv allveelaev, Nautilus, ehitati 1954. a USA-s, see oli ka esimene allveelaev, mis käis Arktika jää all põhjapoolusel. Hiljem ehitasid suuremad tuumariigid, eeskätt NSVL ja USA endale tuuma-allveelaevastikud, mille relvastusse kuuluvad tuumalaenguga kontinentidevahelised ballistilised raketid.

Jääb loota, et mõnekümne aasta pärast suudab inimkond kasutada energiaallikana juhitavat termotuumareaktsiooni. Termotuumareaktsioonid on oluliselt puhtamad, samuti on tuumamaterjali (deuteeriumi) varud praktiliselt ammendamatud.

Lõpetuseks veel üks huvitav fakt. Kui inimesed jõudsid tuumareaktorini alles umbes seitsmekümne aasta eest, siis Maal töötas looduslik tuumareaktor juba miljardeid aastaid tagasi. Aafrikas, Oklo (Gabon) uraanimaardlas olevas uraanis on isotoopidevaheline suhe oluliselt erinev kõikides teistes maardlates olevatest. Sellise eripära mõistlikuks seletuseks oli see, et kunagi väga ammu, 1,9 miljardit aastat tagasi, tegutses seal väga mitmete geoloogiliste asjaolude kokkusattumisel looduslik tuumareaktor. See podises rahulikult üle poole miljoni aasta. Nagu me eespool nägime, saab ka tänapäeval looduslikul uraanil tööle panna tuumareaktori. Miljardeid aastaid tagasi oli uraanimaagis U-235 osakaal suurem, sademetest tekkinud vesi toimis aeglustina ja nii võiski looduslik tuumakatel soodsates tingimustes podiseda.