Väike päike Prantsusmaal

Lihtsam on lammutada kui kokku panna. See kõigile praktikast tuntud tõsiasi kehtib täiel määral ka tuumaenergia kasutamisel.

UNESCO kuulutas 2005. aasta füüsika aastaks, et tähistada saja aasta möödumist Albert Einsteini põhjapanevate avastuste avaldamisest, mis on meie elu tundmatuseni muutunud. Nende avastuste seas leidub ka üks valem, mis küllap on maailmas tuntuim. E = mc2. Ehk siis inimkeeles: energia on mass. Mis midagi kaalub, see ka energiat sisaldab. Ja see aine sisemusse kätketud energia on kujuteldamatult suur. Kui õun kukub teile pähe, võib olla küll valus, kuid siiski ei saa langeva õuna energiast põlema panna ka kõige nõrgemat pirnikest. Kui aga kogu õuna aines sisalduva energia saaks teha elektriks, rahuldaks inimkond oma energianälja tervelt 15 minutiks.

2005. aasta märtsi alul suri oma 99. eluaastal kvantmehaanika viimne pioneer. Hans Bethe oli see mees, kes kvantmehaanika kujunemise kuldaastate võtmeisikuna osales selle meie nüüdiselu aluseid kujundanud paradigma rajamisel. 1938. aastal avaldas Bethe artikli sellest, kuidas kaks prootonit deuteeriumiks ühinevad, misläbi tekib heelium. See tähendab – kirjeldas täpselt, mis meie Päikese sees toimub. Järgmisel aastal täiendas ta oma teooriat Päikesest massiivsemate tähtede jaoks, kus energiarikka tuumareaktsiooni katalüüsijaks osutus süsinik. Nende tööde eest sai Bethe 1967. aastal Nobeli preemia.

Samal 1938. aastal avaldas artikli tähtede ehituse ja evolutsiooni kohta ka eesti astronoom Ernst Öpik. Bethe oli täpsem ja põhjalikum. Ning suuresti just tema tööd viisid tuumaenergia rakendamiseni – mis, nagu paljud asjad tehnoloogiavallas, sai alguse sõjalisest kasutusest. Nii nagu ratas, mis 6000 aasta eest kusagil nüüdse Iraagi aladel potitöökodades pottide keerutamiseks leiutati, pöörati vertikaalseks eelkõige selleks, et sõjakaarikud liikuma panna, nii pöörati tuumaenergia esmalt tuumapommiks.

Kõigepealt oli aatomipomm. Selle energia saadakse raskete elementide tuumade lõhustumisel. Teise maailmasõja puhkedes õhutas Einstein USAd tuumaenergiat pommi sisse panema, mis 1945. aastal ka teoks sai. Aatomipommi ohjeldatud sugulane on praegu maailmas kasutatav tuumareaktor.

Siis tuli 1952. aastal vesinikupomm. Selle energia saadakse kergete tuumade liitmisest raskemaks tuumaks. Vesinikupommi sugulane tuumaenergeetikas pole veel sündinud, kuid sellest ei unista mitte ainult teadlased, vaid ka suurriikide poliitikud.

Lõhkuda või liita

Maal toodetakse praegu umbes 14 triljonit vatti võimsust. Sellest tuleb 33 protsenti naftast, 25 protsenti söest, 20 protsenti gaasist, 7 protsenti tuumaenergeetikast, 15 protsenti biomassist ja hüdroelektrijaamadest ning 0,5 protsenti taastuvatest päikese, tuule ja maapõuesoojuse allikatest.

Esimene tuumareaktor käivitati Enrico Fermi juhtimisel 1942. aastal Chicagos. Praegu töötab maailmas üle tuhande tuumareaktori, neist umbes 400 teaduslikel eesmärkidel.

Kõik need tuumajaamad töötavad sel põhimõttel, et rasked radioaktiivsed elemendid nagu uraan-235 või plutoonium-239 jagunevad mitmeks osaks ja sellest vabanev energia muundatakse soojuseks, mis seejärel kasutatakse elektri tootmiseks. Sellise lõhustamisprotsessi (inglise keeles fission) kasutegur on üllatavalt väike. Aeglastel neutronitel töötavas reaktoris muudetakse energiaks vaid sajandik uraanist. Kiiretel neutronitel töötavas reaktoris on kasutegur suurem, kuid seal toodetakse ka plutooniumi, mida on tarbe korral hea pommi sisse pista.

Kuid kui saavutataks juhitav tuumasüntees, oleks sellest mõõtmatult tulu nii energia tootmise kui ka keskkonna seisukohast.

Põhihäda on aga see, et sellised tuumajaamad on ohtlikud ja tuumajäätmed lõppkokkuvõttes veel ohtlikumad. Tuumakütust on Maal üsna piiratult – looduslikus uraanis sisaldub seda vaid 0,7 protsenti. Ja maagi rikastamine on keeruline ning kallis tegevus. Pealegi saab tuumajaamade kütusest põhimõtteliselt valmistada ka toorainet tuumapommi tarbeks.

Ent on olemas ka teine võimalus aatomituumadesse köidetud energiat kätte saada – algatada tuumasüntees (inglise keeles fusion). Kuid lihtne öelda, raske teha. Kaks vesiniku aatomi tuuma ei taha kohe mitte kuidagi teineteist nii lähedale lubada, et nõndaviisi heeliumi aatomi tuuma moodustada saaks. Selleks on positiivselt laetud tuumade vaheline tõukejõud liiga suur.

Päikesel ühineb neli vesiniku tuuma heeliumi aatomi tuumaks. Kuid Päikese sisemuses, kus reaktsioon toimub, valitseb 10 miljoni kraadine temperatuur, nii et vesiniku aatomituumad on paljad, neid ümbritsev elektronkate puudub. Tuumad ja elektronid moodustavad ühtse seguoleku ehk plasma. Töö teeb ära gravitatsioon, mis tõmbab tuumad üksteise lähedusse. Nõnda ületatakse elektriliste tõukejõudude tõrksus ja tuumad ühinevadki.

Maal on sellist seisu raske saavutada. Kiirendites küll vesiniku aatomid omavahel põrkuvad, kuid põrkumist on raske dirigeerida. See on võimalik vaid juhul, kui need on tihedalt kokku pakitud. Ehk teisisõnu: läheb vaja väga kuuma ja tihedat plasmat.

Kuid kui saavutataks juhitav tuumasüntees, oleks sellest mõõtmatult tulu nii energia tootmise kui ka keskkonna seisukohast. Tuumasüntees mingeid ohtlikke tuumajäätmeid ei tekita. Oht esineb vaid reaktsiooni käigus tekkiva tugevatoimelise kiirguse näol, mida on suhteliselt lihtne nõrgestada.

Võidujooks plasmale

Lootus saada enda valdusse ammendamatu energiaallikas on suur liikumapanev jõud. Pärast Teist maailmasõda hakati NSV Liidus ja USAs kohemaid töötama seadmete projekteerimisel, mis võimaldaksid vesinikku sadade miljonite kraadideni üles kuumutada ja tugevate magnetväljade abil kokku pressida. Katsetati paljusid seadmeid, kuid lõpuks jäi peale venelaste tokamak. Selle leiutasid kuulsad nõukogude füüsikud Andrei Sahharov ja Igor Tamm, kes oma füüsikaalaste uuringute eest on mõlemad ka Nobeli preemia saanud. Nimi tokamak, mis on käibel ka inglise keeles, tuleb venekeelsest lühendusest: ток – vool, камера – kamber, магнитные катушки – magnetpoolid.

Tokamak on sõõrikukujuline seade, kus erinevate ja üksteisega kattuvate tugevate magnetväljade abil hoitakse kuuma ja tihedat plasmat reaktori seinte vahel, nii et see hõljuks ega puudutaks seinu. 1970. aastatel arenes tokamaki tehnika kiiresti ja tekitas lootusi, et kohe-kohe on kontrollitav tuumasüntees käes. Kuid tuumasüntees on siiani käitunud nagu janulist eksitav veerikka oaasi kujutelm: mida lähemale saad, seda kaugemale nihkub.

Kuuldused nüüdsete tuumajaamade surmast ja uudsete ilmumisest on leebelt öeldes liialdatud.

Siiani on tokamakkide käigushoidmiseks läinud rohkem energiat, kui sealt välja tuleb. Üks põhjusi on, et energiarikas vesinikgaas on osav magnetlõksust välja lekkima. Teadlased ei tunne veel plasma iseloomu piisavalt hästi, et kõiki hädasid isegi ette näha. Siiani on vaid üks seade, jaapanlaste JT-60 tokamak lähenemas murdepunktile, kus toodetakse sama palju energiat kui sisse antakse.

Üks suurejoonelisemaid katseid selles vallas on 1985. aastal algatatud rahvusvaheline ühisprojekt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), mis oma olemuselt on ikkagi tokamak. Projekti peale kavatsetakse kulutada 5,5 miljardit dollarit, millega sellest saaks läbi aegade üks kõige kallimaid teaduslikke rajatisi maailmas. Kohe läks ka lahti võistlus, kelle maa peale see kuldmune neelav ja kiirgav imemasin ehitatakse. Jaapan ja Prantsusmaa ei säästnud raha, jõudu ja värve ning rivaalitsemine kujunes projekti liikmetele kohati üsna närvesöövaks. 2005. aasta juulis lõppes see sahmerdamine Prantsusmaa kasuks. ITER ehitatakse Lõuna-Prantsusmaale Cadarache’i-nimelisse paika. Seda hakkavad rahastama Hiina, EL, Jaapan, Lõuna-Korea, Venemaa ja USA. Ehitus peaks algama 2006. aastal ja töövalmis saama 2016. aastaks.

Teadust edendav projekt

Mõistlik on meeles pidada kaht väga olulist asja: ITER on teaduslik projekt, mitte tuumajaama ehitus, ja selle eesmärgiks on hoida 7 – 15 minuti vältel 100 miljoni kraadi juures oma kütust, milleks on vesiniku rasked isotoobid deuteerium ja triitium, ning saada seejuures 500 megavatti võimsust. Praegune maailmarekord on jaapanlaste JT-60 käes vaid 24 sekundiga. Nii et eesmärgid on suured, kuid kahtlemata kaugel sellest, mida vajaks üks elektrijaam – pidevast käigusolekust.

ITER loodab oma suurusele ja tugevamatele ülijuhtmagnetitele. Kuid see seab suuri nõudmisi kasutatavatele materjalidele. Enamik energiat, mis ITER toodab, on kiirelt liikuvate neutronite kujul, mis pommitavad tokamaki berülliumiga kaetud kesta. Kas berüllium peab vastu või tuleb luua mõni uus materjal, pole teada. Olukord pakub ohtralt võimalusi materjaliteaduse arenguks. Mingit kasutust toodetavale energiale pole ette nähtud. Ja polegi täpselt teada, kuidas tokamakist näiteks soojust kätte saada, et see siis elektriks muundada.

Nii et kuuldused nüüdsete tuumajaamade surmast ja uudsete ilmumisest on leebelt öeldes liialdatud. Liialdus pole aga see, et ka Eesti võiks projektis ITER osaleda. Euroopa termotuumasünteesi arendamise kokkuleppes (EFDA) osaleb näiteks Läti, mitte aga Eesti. Siiski on moodustatud vastava ühenduse initsiatiivrühm, mida koordineerib Tartu ülikooli füüsika instituudi professor Aleksandr Luštšik. Ja Euroopa Aatomienergiakoondise EURATOM raames osaleb Eesti nii termotuumasünteesi- kui tuumalõhustumise-alases komisjonis.