Teadus ja tulevik

Ole homseks valmis: tuumaenergia tulevikku varjutab selle minevik

Chooz tuumajaam Prantsusmaal

Rubriiki toetab

Kui mõne nädala eest kirjutasime energia tootmise keskkonnasõbralikust tulevikust, jätsime sealt meelega välja tuumaenergia. Kuigi tuumaenergia ei ole taastuvenergia liik, on see siiski globaalse kliimamuutuse kontekstis oluline alternatiiv fossiilkütustele, kuna selle tootmisel eraldub oluliselt vähem kasvuhoonegaase.

Sellest hoolimataajab tuumaenergia siiski paljudel inimestel karvad turri ja ohutuse ning jäätmetega seotud küsimused on olnud päevakorras juba aastakümneid.

Teine maailmasõda ja tuumapomm

Kuigi tuumaenergia kõlab veel tänapäevalgi modernselt ja tulevikkuvaatavalt, alustati uraani ja ioniseeriva kiirguse uurimisega juba 19. sajandi lõpus. Järjest kasvav huvi selle uue nähtuse vastu arendas meie teadmisi kiirgusest varmalt ja 1938. aastal demonstreeriti Euroopas tuumade lõhestumise reaktsiooni niiteoreetiliselt kui ka katseliselt.

Füüsikud Los Alamoses
Teadlaste kollokvium Los Alamoses 1946 aastal. Allikas: Ameerika Ühendriikide Energeetikaministeerium

Tuumade lõhustumisel vabanev suur energiahulk muutis teise maailmasõja valguses paljud teadlased väga närviliseks, eriti need, kes olid põgenenud Saksamaalt Hitleri eest. Kuna Saksamaa huvi tuumapommi vastu oli teada, hakkasid USA tippteadlased seda Los Alamoses Manhattani Projekti nime all juba ennetavalt arendama.

Sakslased pommi valmistamiseni ei jõudnudki, küll aga jõudsid ameeriklased, pannes kahe pommi heitmisega Jaapanile punkti ka Teisele maailmasõjale. Ühtlasi sai ka kogu maailmale ühe hetkega selgeks, kui suur ja hirmus energia on peidus aatomituumades.

Kuigi järgnevad aastad, mida tuntakse külma sõja all, möödusid paranoilises õhkkonnas, kus sõjas võidukad USA ja NSVL püüdsid üksteist järjest võimsamate tuumarelvadega üle trumbata, sündisid pommi kõrvalt ka rahumeelsemad ideed – õigesti kasutades võib aatomituum meie pidevalt kasvavat energianälja leevendada.

Tuumaenergia rahumeelsetel eesmärkidel

Esimesed tuumajaamad seati üles 1945. aastal ja olid peamiselt katsete läbiviimiseks. Tänapäeval tunneme me neid esimese põlvkonna tuumajaamadena. Alates 1960ndatest saame me rääkida juba kommertstuumajaamadest (teine põlvkond). Tänapäevaks on maailmas umbes 440 tuumajaama 31 riigis ja praeguseks toodetakse ligikaudu 11 protsentimaailma elektrist tuumajaamades.

Enamik tänapäeval töös olevaid tuumajaamu kasutavad teise põlvkonna reaktoridisaine, kuigi alates 1990ndate keskpaigast on ehitatud ohutumaid, töökindlamaid ja efektiivsemaid kolmanda põlvkonna reaktoreid. Tööpõhimõttelt on aga peaaegu kõik maailmas energia tootmiseks kasutavad tuumajaamad väga sarnased.Reaktoris käivitatakse uraani tuumade lõhustamisega kontrollitud ahelreaktsioon, milles vabanevad neutronid järgmisi tuumi lõhustuvad. Selles protsessis vabanevat soojust kasutatakse vee või gaasi temperatuuri tõstmiseks, millega pannakse tööle elektrit tootvad turbiinid.

Hoolimata aastakümneid kestnud arengustei saa tuumaenergia üle ega ümber sellega seotud ajaloost. Tuumarelvad ja -katastroofid on muutnud selle kuvandi vastuoluliseks ning ühiskonnas käib pidev debatt selle üle, kui palju ja kas me peaksime tuumaenergiat üldse kasutama. Ka ollakse mures tekkivate ohtlikke jäätmete pärast, mis on vaja halvimal juhul miljoniteks aastateks ohutult maha matta.

Järjest paranev ohutus ja efektiivsus

Vastuseks inimeste õigustatud muredele toimub pidev areng teaduses, et muuta tuumajaamad ohutumaks, efektiivsemaks ja keskkonnasõbralikumaks. Tšornobõli tuumakatastroofi põhjustanud teise põlvkonna jaamu enam juurde ei ehitata, pigem lülitatakse neid välja. Ka 1990ndatel tulnud oluliselt parandatud ohutusega kolmanda põlvkonna reaktorid on asendumas III+ põlvkonnaga, mille puhul on veel erinevaid ohutusega seotud täiustusi tehtud.

Tšernobõli reaktor nr 4 kaetud sarkofaagiga. Foto: Redrat72

Kuna uute reaktorite välja töötamine võtab aega aastakümneid, on teadlaste pilgud pidevalt tuleviku poole suunatud. Juba on välja käidud hulk neljanda põlvkonna reaktorite kavandeid, mis võiksid jõuda turule 10-20 aasta pärast. Mõningad neist kasutavad ka uudset kiire lõhustamise tehnoloogiat. Kui varasemate põlvkondade reaktorites aeglustatakse neutroneid näiteks vee või grafiidi abil, siis kõikides neljanda põlvkonna süsteemides seda ei tehta. Sellised "kiired"süsteemid võimaldavad rohkem reaktoris olevast energiast ära kasutada ja tekkivad jäätmed on selle võrra vähem radioaktiivsed.

Eeliseid on neljanda põlvkonna reaktorite puhul palju. Lisaks veelgi täiustatud ohutusprotokollidele on võimalik protsesse disainida nii, et tekkivad jäätmed on radioaktiivsed sadu, mitte enam tuhandeid aastaid. Ka on osad uued reaktoritüübid varasematest tehnoloogiatest sadu kordi efektiivsemad, pikendades juba kaevandatud tuumakütuse eluiga mitu sajandit.

Tegu on aga siiski kriitiliste süsteemidega ja vigu ei tohi lubada. Seetõttu tuleb oodata järgmist kümnendit enne kui selgub, millal ja millisel kujul neljanda põlvkonna reaktoreid kasutama hakatakse. Seni jätkub aga teadlastel tööd küllaga. Näiteks enne kui asendame jahutusvee vedela soola või metalliga, peame me väga täpselt uurima, kuidas need materjalid süsteemis käituvad ja see kõik võtab aega.

Termotuumareaktsiooni unistus

Lisaks tuumareaktsioonile, mis põhineb raskemate aatomituumade lõhustamisel kergemateks, püütakse energia tootmiseks kasutada ka termotuumareaktsiooni. Selles reaktsioonis ühinevad kõrge temperatuuri ja rõhu juures kergemad aatomituumad moodustades raskemaid aatomeid. Võrreldes lõhustamisega, tekib selle protsessi tulemusena kordades rohkem energiat ja radioaktiivse uraani asemel kasutatakse kütusena vesinikku või heeliumi.

Termotuumareaktorid on võrreldes tuumareaktoritega ka väga ohutud. Termotuumareaktsiooni käivitamine ja töös hoidmine on aga ääretult keeruline ja vajab väga täpset kontrolli. Ka väikseim nihe reaktsiooniparameetrites lõpetaks reaktori töö hetkega. Ka ei hoita reaktoris kuigi palju kütust. Enamasti suudaks reaktoris olev kütus hoida reaktsiooni käigus vaid minuteid, vahel isegi vaid mikrosekundeid.

TOKAMAK tüüpi Rahvusvahelise Termotuuma Eksperimentaalreaktori vaakumkamber
TOKAMAK tüüpi Rahvusvahelise Termotuuma Eksperimentaalreaktori vaakumkamber. Allikas: Rahvusvaheline Termotuuma Eksperimentaalreaktor (ITER)

Reaktorite töös hoidmise keerukus tähendab aga kahjuks ka seda, et areng termotuumareaktorite maailmas on olnud väga kallis ja aeganõudev. Peamised kaks tehnoloogiat, mida tänapäeval arendatakse, on TOKAMAK ja ICF (inertsiaalse vangistuse alalfusioon). TOKAMAK reaktorid kasutavad väga tugevat magnetvälja, et hoida reaktsioonis tekkiv plasma süsteemis. ICF-reaktorid kasutavad energia ja kütuse kokku surumiseks magnetvälja asemel laseritega süsteemi suunatud energiat.

Ükski termotuuma tehnoloogia ei ole praeguseks veel aga nii kaugele jõudnud, et reaktsioonist oleks võimalik saada välja rohkem energiat kui sinna sisse on vaja panna. Siiski säilib lootus, et tulevikus on meil võimalik toota termotuumareaktsiooni abil suur kogus "ohutut"energiat ja me saame lahti oma sõltuvusest fossiilsete kütuste vastu. Kahjuks on see juba pikemat aega 50 aasta kaugusel olnud.

Tuumajaam Eestis?

Ka Eestis on debatt tuumajaama ehituse vajalikkusest ja mõistlikkusest üles kerkinud. 2000ndate aastate esimese kümnendi lõpusarvestas majandus- ja kommunikatsiooniministeerium tuumajaama ehitamise võimalikkusega isegi energiamajanduse riiklikus arengukavas.

Seoses Ignalina tuumajaama sulgemisega ja põlevkivienergia suure keskkonnamõjuga arutati erinevaid stsenaariume ja Tallinna Tehnikaülikool ja Tartu Ülikool tegelesid isegi tuumaenergia magistriõppe korraldamisega. Edaspidiste arutelude käigus leiti aga, et Eestisse tuumajaama ehitamine ei ole majanduslikult otstarbekas ja lähitulevikus pole seda diskussiooni plaanis uuesti alustada. Samas ei ole keegi Eesti tuumajaama võimalust ka päris maha kandnud – ükspäev võib see projekt siiski kasulikuks muutuda.

Tuumaenergia oli, on ja jääb meie jaoks pooleldi müstiliseks – võimas ja ohtlik, ent meelitav lahendus meie aina kasvavale energiavajadusele. Suured katastroofid nagu Tšornobõl ja Fukushima tuletavad meile meelde ohtusid. Kesk- ja Lõuna-Euroopas on mindud lausa nii kaugele, et tuumajaamade kasutamist vähendatakse. Samas ei tohi unustata, et ka alternatiivid fossiilsete kütuste näol kahjustavad igapäevaselt meie keskkonda ja võtavad inimestelt elusid.

Teadlased püüdlevad väga pühendunult järjest parema ja ohutuma tuumaenergia poole. Koos taastuvenergiaallikate kiire arenguga ei pruugi kaugel olla aeg, mil saame fossiilsete kütustega hüvasti jätta ja kombineerida tuule, päikese ja tuumaenergia, luues stabiilse ja vajadustele hästi reageeriva süsteemi, mis toimib ohutult nii meile kui ka keskkonnale. Potentsiaali on – tuleb aga arvestada ka ohtudega.

Avafoto:Raimond Spekking

Selles rubriigis vahendame maailma teadusuudiseid, tulevikuvaateid ning oma kõige põnevamaid tegemisi.
Oled sa DigiPRO või Geenius? Vali sobiv tellimus siit.

Populaarsed lood mujal Geeniuses

Ära jää ilma päeva põnevamatest lugudest

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate olulisematest Geeniuse teemadest.