Eesti teadlased aitavad Päikese Maa peale tuua

Päike. Foto: SCANPIX

Tuumasünteesireaktorid peaksid tulevikus lahendama inimkonna energiamure.

Kui inimesel õnnestuks tõmmata Päikeseni üks jäme kaabel, siis laheneks meie energiadefitsiit päevapealt. Pisut praktilisem lahendus on katse luua maailma oma väikesed päikesed.

Tartu Ülikooli tuumafüüsik Madis Kiisk juhib Eestis uurimisrühma, et panustada koos tuhandete teiste teadlastega maailma esimese energiat tootva tuumasünteesireaktori valmimisse. Niinimetatud ITERi kompleksi ehitus algas Prantsusmaal juba 2008. aastal, selle südameks peaks saama sõõrikukujuline nn tokamak-reaktor.

Kogu kompleksi valmimise tähtaega on aga seni muudkui edasi nihutatud, sest väga erineva kultuuritaustaga teadlastel tuleb ühiselt tegeleda ei vähema ega rohkema kui kuni 150 miljoni kraadise plasma loomise ja ohjeldamisega.

Füüsikute seas levinud anekdoodis leiab tuumafüüsik rannal lebades liiva seest antiikse välimusega õlilaterna. Laternast hüppab välja džinn, kes lubab täita füüsiku ühe soovi. Kõigepealt tahab füüsik džinnilt rahu Lähis-Ida regiooni, ent seda soovi ei suuda võlur täita. Aseaineks nõuab teadlane, et tokamak hakkaks elektrit tootma. Pärast lühikest äraolekut naaseb džinn ja küsib tuumafüüsikult uuesti Lähis-Ida kaarti.

Tuumasünteesireaktorid (tuntud ka termotuumareaktorite nime all) võiks hoobilt lahendada inimkonna energianälja. Ühe miljoni elanikuga linna elektriga varustamiseks terve aasta jooksul vajab tuumasünteesi elektrijaam üht väikest veoautokoormat kütust, seisab Euroopa Komisjoni infobülletäänis.

Kui me paneme tuumasünteesijaamas ja kivisöejaamas kasutatava kütuse kaalu peale, siis võib öelda, et tuumasünteesijaamas vabaneb kütuse massi kohta sada miljonit korda rohkem energiat. Vahe on paljukordne ka praeguste tuumaelektrijaamadega.

Sarnaselt nafta või kivisöega tuleb ka praegustes tuumajaamades kasutatav kütus maapõuest ja selle varud on piiratud. «Tuumasünteesijaamades kasutatav kütus on eeldatavalt odav ja kättesaadav kõigi jaoks,» lausus Kiisk. «Enam ei tohiks tekkida sellist kütusemonopoli, nagu praegu on mõnedel riikidel.» Nimelt leidub tuumasünteesireaktorit toitvate vesiniku isotoopide allikaid looduses pea piiramatul määral.

Tuumasünteesil põhineva elektri tootmine on pealekauba tublisti ohutum kui praegune, tuumade lõhustamisel põhinev tuumaenergeetika. Esiteks ei ole tuumasünteesijaama transporditav kütus enam radioaktiivne.

«Elektri tootmisel tekivad siiski sekundaarsed tuumareaktsioonid, mis toodavad muu hulgas ka radioaktiivseid materjale,» selgitas Kiisk. «Ometi on erinevused põhimõttelised – tuumalõhustamisel töötavad praegused tuumajaamad toodavad tuumajäätmeid, millel on väga pikk poolestusaeg.»

See tähendab, et tuumajäätmete kahjutuks muutumine võtab tuhandeid aastaid. Tuumasünteesi puhul on jäätmete poolestusaeg lühike ja Kiisa sõnul võib need lasta hoolikalt valitud ehitusmaterjalide puhul juba mõnesaja aasta pärast vabasse ringlusse.

Samuti ei saa tuumasünteesi puhul tekkida kontrollimatuid ahelreaktsioone ja ülekuumenemist nagu näiteks Tšernobõlis. Isegi kui tuumasünteesijaama reaktoriga toimuks suur õnnetus, oleks selle tekitatav reostus väga lokaalne ega leviks vee ja õhu kaudu tuhandete kilomeetrite kaugusele.

Nii ongi tokamaki käimasaamine üks tuumafüüsikute kõige kirglikumaid ja ulmelisemaid soove, mille teostumise nimel nad järjekindlalt tegutsevad. Seni on sääraseid magnetväljas hõljuva plasmaga sõõrikukujulisi reaktoreid küll ehitatud maailma teaduskeskustesse, aga need on ITERist palju väiksemad ega tooda rohkem energiat, kui ise tarvitavad.

«Mulle tundub praegu, et põhimõttelised füüsikalised küsimused on vist lahendatud,» ilmutas Kiisk ettevaatlikku optimismi. «Nüüd siis tegeldakse eelkõige tehnoloogiliste probleemidega, nagu näiteks materjalide pikaajalise vastupidavuse küsimus.»

Kiisk osalebki töögrupis, mis tegeleb plasma ja reaktoriseina vahekorraga. Ehkki ITERi reaktor on 24-meetrise läbimõõduga, kaalub selles hõljuv plasma tegelikult vaid paar grammi. Seda ülikõrge temperatuuriga plasmat püütakse kontrollida magnetväljadega – ümbritsev magnetväli hoiab plasmat paigal ehk piltlikult öeldes hõljumas nii, et see reaktori seintega vahetult kokku ei puutu.

Päikese sisemuses toimub tuumasüntees enam kui 15 miljoni kraadi juures. «Päikesel on aga suur rõhk ja plasma on teise tihedusega – samasuguseid tingimusi on Maal raske tekitada,» selgitas Kiisk. «Selleks et me saaksime läbi viia samasuguse reaktsiooni magnetilises lõksus, on meil vaja 150 miljonit kraadi.»

Kiisa sõnul on enam kui saja miljoni kraadiseid temperatuure seni saavutatud eksperimentaalsetes tingimustes. «Meil on aga vaja saada suures mahus plasmat, et reaktor annaks välja rohkem energiat, kui see ise tarvitab,» ütles ta.

ITERi valmimist on juba korduvalt edasi lükatud, praeguste plaanide järgi peaks see esimest korda käivitatama 2020. aasta novembris. Kui tõenäoline on üldse millegi nii ebatõenäolise tööle saamine?

«Täit kindlust ei ole veel kellelgi, aga viimase kahe aasta jooksul on saadud Euroopa hetkel suurimast töötavast tokomakist JET väga positiivseid tulemusi,» ütles Kiisk. «Praegused katsed JET-reaktoril annavad põhjust loota, et ITER saadakse tööle nii, nagu loodetud.»

Kas tuumasünteesi reaktorite käivitumine päästab inimkonna kaosest, mis võiks saabuda seoses nafta ja gaasi lõpuga? Isegi kui ITER 2020. aastal käivitub, kulub ometi veel aastakümneid, enne kui sellisel viisil elektri tootmisest kujuneb äri.

Kiisa sõnul on ajalisi prognoose seni muudkui kaugemale nihutatud, aga kommertsalustel töötav reaktor võiks praegustel hinnangutel tööle hakata 2050. aastal või veelgi hiljem. «Edasi kulub veel aastakümneid, enne kui termotuumareaktorid suudavad hakata asendama neid elektritootmisvõimsusi, mis meil praegu on,» nentis ta.