This story isn't available in English yet
Showing the original in inglise. A translation is on the way.
Aastakümneid ehitatud tehispäike hakkab varsti voolu andma
Veel samal teemal:
Lõuna-Prantsusmaal Cadarache’is 35 riigi teadlaste, inseneride ja tehnikute rajatava maailma suurima tuumasünteesireaktori (ITER) ehitusel oli äsja märgiline vaheetapp – paigaldati 1250 tonni kaaluv krüostaatseadme alus ehk esimene suurem detail reaktori ehitamisel. Suurprojektis löövad kaasa ka Eesti teadlased Tartu Ülikoolist. Kirjutab Ants Vill. Eeldatavalt 500 MW võimsusega katseline fusioonreaktor peaks tööle hakkama 2025. aastal ja tõestama, […]
Lõuna-Prantsusmaal Cadarache’is 35 riigi teadlaste, inseneride ja tehnikute rajatava maailma suurima tuumasünteesireaktori (ITER) ehitusel oli äsja märgiline vaheetapp – paigaldati 1250 tonni kaaluv krüostaatseadme alus ehk esimene suurem detail reaktori ehitamisel. Suurprojektis löövad kaasa ka Eesti teadlased Tartu Ülikoolist. Kirjutab Ants Vill.
Eeldatavalt 500 MW võimsusega katseline fusioonreaktor peaks tööle hakkama 2025. aastal ja tõestama, et tokamak-tüüpi reaktorit on võimalik kasutada kommertsiaalseks energiatootmiseks. Senised reaktorid on kulutanud rohkem energiat, kui ise tootnud. Ideedest, et päikest ja tähti varustab energiaga tuumasüntees ning inimkond saaks sellist reaktsiooni kasutada ammendamatu energiaallikana, möödub tänavu sada aastat.
Tõepoolest, paljud tänapäeva mõjutavate alusteaduslike ideede juured ulatuvad sajandi taha. Nii on ka tuumasünteesi ideega, millest kui energiatootmise uuest viisist loodetakse lahendust nii ähvardavale energianappusele kui hukatuslikule kliimasoojenemisele. Erinevalt praegustest tuumajaamadest, kus toodetakse elektrit raskete elementide lagunemisel vabanevast energiast, on kergete tuumade liitumisel vabaneva energia kasutamine teadlaste kinnitusel efektiivsem, oluliselt ohutum nii tootmises kui jäätmete osas. Samuti võimaldab see maailma energiatootmises süsinikpöörde läbiviimist, seda, milleks meid üha kategoorilisemalt sunnib aina kiirenev inimtekkeline kliimasoojenemine.
Juubeliaasta on käes
„Meil on mõnes mõttes juubeliaasta: idee, et tuumasünteesi teel võiks energiat saada, on sada aastat vana. 1920. aastal käis Briti füüsik, astronoom ja matemaatik Arthur Eddington välja mõtte, et päikese energiaallikaks on tuumasüntees. Tema oli ka see, kes ütles, et oleks väga hea, kui saaksime seda protsessi inimkonna heaks kasutada,” ütles üks fusioonreaktori ITER projektiga aastaid seotud Eesti teadlane, Tartu Ülikooli füüsika instituudi plasmafüüsika labori vanemteadur Indrek Jõgi, kes on üks kahest Eesti esindajast üleeuroopalise konsortsiumi EUROfusion üldkogul.
„Nüüd on Eddingtoni ideedest juba palju põlvkondi möödas, mina näen loodetavasti ära, et see läheb tööle. Märgid igatahes näitavad, et asi liigub praegu jõudsalt edasi,” ütles Jõgi, kel aastaid kümnendi võrra enam, kui 35. tegevusaastat tähistaval ITER-i projektil.
Aastakümnetest ei ole siin juttu naljapärast. Nimelt on teadlastel ja inseneridel jagunud optimismi juhitava termotuumasünteesi teel elektri tööstuslikus mahus tootmiseks juba kõvasti üle poole sajandi ehk aastast 1952. Tookord õnnestus praktikas esile kutsuda esimene juhitamatu termotuumasünteesi protsess – lõhata täismõõtmetes vesiniku- ehk termotuumapomm.
Esimene patent võimalikule sünteesireaktori ideele oli võetud juba varem, 1946. aastal. Siiski, optimism ei õigustanud ennast pikka aega: mida konkreetsemaks muutusid teooriad ja võimalikud tehnilised lahendused, seda enam nihkus tulevikku võimaliku töötava, energiat tootva reaktori loomine. Efektiivse reaktori arendamisel on praeguse seisuga jõutud kõige lähemale Suurbritannias oleva reaktoriga JET ehk Joint European Torus. „See on praegu kõige suurem seade, kuid sellega on energiat saadud siiski vaid väga lühikeseks ajahetkeks. Seda on olnud vaid 65 protsenti sellest, mis seadmesse on selleks sisse antud, et protsess toimuma panna,” ütles Jõgi.
Seni on kõige perspektiivikamaks hinnatud reaktori nn tokamak-lahendust, kus kasutatakse toroidikujulises reaktsiooniruumis (ehk tokamakis) magnetväljade abil kokku surutud ülikuuma plasmarõngast. Just seal tekivad vesiniku isotoopide deuteeriumi ja triitiumi tuumade liitumisel heeliumi aatomid ning vabanevad ülikiirete, rohkelt energiat kandvate neutronite vood, mille neeldumisel eralduvat soojusenergiat saab kasutada elektri tootmiseks. Kui JET reaktoris kulub protsessis rohkem energiat, kui selle käigushoidmiseks, siis rahvusvahelises projektis ITER ehitatava reaktori puhul on eesmärk toota rohkem energiat, kui reaktor ise kulutab.
Suurim ja olulisim muutus võrreldes varasemate reaktoritega on ITER-i mastaabimuutus. Kui senisel suurimal ehk JET-il on toroidi läbimõõt kolm meetrit, siis ITER-il juba kuus, mistõttu on toroidi maht kasvanud 100 m3-lt 800 m3-le. See mastaabimuutus peabki viima protsessid uuele tasemele: 50 MW sisendvõimsuse juures on reaktori oodatav väljundvõimsus 500 MW ehk kasutegur on 10. Sellise võimsa reaktori puhul on tulnud lahendada väga suur hulk nii teoreetilisi kui insenertehnilisi küsimusi.
ITER-i reaktor on maailma üks suuremaid tehnoloogiaprojekte läbi aegade nii maksumuselt, kestvuselt, kaasatud riikide ja teadlaste hulgalt kui ka rajatise mastaapide poolest. Kui ITER-i ideed töötavad, ootab ees veelgi suurema, juba elektrijaamades kommertslikuks elektritootmiseks sobiva üheksameetrise toroidiga näidisreaktori DEMO ehitus. Hinnanguliselt võiks esimesed kommertsiaalsed fusioonelektrijaamad hakata elektrit andma 2050. aasta paiku.
Süsinikpöörde võimalused
Indrek Jõgi sõnul võiks tuumasünteesi abil toimuv energiatootmine olla oluliseks teguriks süsinikul põhineval energiatootmisel ehk süsinikpöördel. „Fusioon on kindlasti oluline osa tulevikus kasutusel olevast energiasegust, energiatootmise erinevatest meetoditest. Fusioonienergia oluline eelis teiste süsinikuneutraalsete tehnoloogiate ees – nagu päike ja tuuleenergia – on esiteks stabiilsus. Seda energiat saaks pidevalt toota. Teiseks, see on kompaktne, üks kompaktsemaid võimalusi üldse energiat toota. Ja kolmas, ohutus: fusioonile võiks alternatiiv olla muidugi tavalised tuumajaamad, aga selle tehnoloogiaga võrreldes on ta ohutum.”
Fusioonreaktorite puhul on ohutus palju suurem võrrelduna praegu kasutuses olevate tuumajaamade ohutusega. „Mingit ahelreaktsiooni, mis viiks suurte õnnetusteni, ei saa sellises reaktoris tekkida. Pigem on praegu probleem sellega, et toroidis olevat plasmat piisavalt stabiilsena koos hoida, et sealt saaks energia vabanema hakata. See ongi tuumasünteesil põhineva energiatootmise probleem olnud ja seepärast on lahenduste väljatöötamise nii kaua aega võtnud,” selgitas Jõgi.
ITER erineb näiteks uraani lõhustamise reaktorist, kus on palju radioaktiivset ainet ja reaktoris tegeldakse protsessi juhtimiseks ahelreaktsiooni aeglustamisega. ITER-i reaktoris on kütust korraga alla grammi. Sellist probleemi ei saa tekkida, nagu näiteks Tšernobõlis tekkis, rõhutas ta.
Lahendamist vajavad probleemid
Enne, kui saab rääkida laialdaselt kasutatavatest tuumasünteesil põhinevatest elektrijaamadest, tuleb lahendada hulk tõsiseid probleeme. Selles vallas on parimaid tulemusi saavutatud nn tokamak-tüüpi reaktoriga, kus tuumasünteesi keskkonnaks on rõngikukujuline toroid, milles tekitatakse plasmarõngas. Selline on JET, selline on ka ehitatav ITER ning plaanitav DEMO.
Tuumasünteesiks vajalik temperatuur on 140 000 000 kraadi ja seega on reaktor meie päikesesüsteemi kõige kuumem paik. Kõik materjalid aurustuvad paari tuhande kraadi juures. Nii tulebki hoida plasma toroidi seintest eemal, selleks kasutatakse tokamak-tüüpi reaktoris võimsaid magnetvälju. (Vene teadlaste leiutise tokamak nimi on tulnud väljendist „тороидальная камера с магнитными катушками”, tõlkes magnetpoolidega toroidkamber).
Ülitugevate magnetväljade saavutamiseks tuleb kasutada ülitugevaid elektrimagneteid, nende toimimise eelduseks on vahetult toroidi ümber asuvad ülijuhtivusel toimivad mähised, mis vajavad absoluutsele nullile lähedasi ülimadalaid temperatuure. Materjalidele ja konstruktsioonile esitab suuri nõudeid võimas neutronitevoog, mis reaktsioonil vabaneb ning mõjutab tugevalt materjalide vastupidavust.
Eesti teadlaste kolm uuringusuunda
Eesti on ITER-iga seotud enam kui kümme aastat. „Alustasime esimest mõttevahetust 2005. aastal. 2006. aastal tegime ettevalmistusi ja 2007. aastal ühines Eesti euroliidu seitsmenda raamprogrammiga, Euroopa-ülese tuumasünteesiprogrammi, Euratomi programmiga. Ja ka programmis Horizon 2020 on need uurimused sees,” rääkis Madis Kiisk, kes on Tartu Ülikooli füüsika instituudi keskkonnafüüsika labori vanemteadur ioniseeriva kiirguse füüsika alal.
Praegu on Eestis uuringutega seotud kümmekond teadlast, ajalooliselt on neid olnud ligi 20. „Kokku on meil sellel alal proportsionaalselt sama palju teadasi, kui Eurofusioni organisatsiooni riikides keskmiselt,” ütles Kiisk. Algusest peale on projektis tegevad Tartu Ülikooli füüsika instituudi mitmed töögrupid, kaasatud on teadlasi ka väljapoolt instituuti.
„Tokamakkides on neutronkiirgus väga suur, mina olen seotud projektiga, milles arendame komposiitbetooni, millel oleks parem neutronite neelamise, nende pidurdamise võime, et vähendada kiirgust väljapool reaktorit,” tutvustas Kiisk oma uurimissuunda ehk kiirgusvarjestust puudutavaid probleeme.
Reaktorites, ka ITER-is on ehitatud ümber reaktori enam kui meetri paksune betoonsein ehk geobiokaitse või biokilp. „Meie ülesanne on leida teed, kuidas parandada betoonikihi varjestusvõimet, jättes selle sama paksuks või teha isegi õhemaks,” lisas Kiisk. „Tegeleme ka komposiitbetooni arendamisega, kuna näiteks tuumajaamade ehitamisel kasutatav eribetoon, mis sisaldab täiteainena raskematest elementidest koosnevaid kivimeid, on väga kallis.”
Eesti teadlaste teine uurimisteema on samuti seotud materjalidega, nimelt reaktori seinte materjaliga. Probleem on see, et kuigi suurem osa reaktoris olevast plasmast õnnestub magnetväljadega hoida selle seintest eemal, on alati mingi osakeste voog, neutronite voog, mis sellegipoolest tuleb magnetväljast läbi ja mõjutab reaktori seinu. „Sünteesis kasutatakse raskest veest saadavat deuteeriumi ja haruldast ning kallist triitiumi. Osa vabanevast energiast on kavas kasutada triitiumi tootmiseks protsessis, kus neutronid reageerivad liitiumiga. Tekkiv triitium ja vabanev heelium kuhjub seinte materjalisse,” selgitas Jõgi.
„Meie töötame välja seadet, millega saab mõõta reaktorite seintes olevate elementide, sealhulgas radioaktiivse triitiumi sisaldust seadet avamata. Triitiumi ei tohi seintes liiga palju olla, muidu peab Prantsuse seaduste järgi reaktori töö lõpetama ja triitiumi sealt eemaldama,” selgitas Jõgi. „Parim võimalus selleks on kasutada optilisi meetodeid. Meie arendatav meetod on laserindutseeritud plasmaspektroskoopia. See tähendab, et laserkiirguse väga lühike ja väga suure võimsusega impulss juhitakse reaktori seinas olevast aknast sisse. Võimas impulss sulatab või augustab väga väikese osa seinamaterjalist. Selle käigus tekib kiirgav plasma, mille optilise kiirgusspektri analüüsiga saab määrata seinte koostist,” tutvustas ta ja lisas, et praegu tegeletakse eelkõige kalibreerimisprobleemidega.
Kolmas teema on välja töötada materjal reaktori seintes olevate akende jaoks, mida kasutatakse diagnostikaks, muu hulgas ka eelpoolkirjeldatud laserdiagnostikaks. „Selliste dielektriliste materjalidega oleme juba pikka aega tegelnud ja mitte ainult fusioonreaktorite tarbeks,” ütles Eduard Feldbach, kes on Tartu Ülikooli füüsika instituudi ioonkristallide füüsika labori vanemteadur. „Uurime kiirguskindlaid materjale, mis üldse sobiksid sellistes äärmuslikes tingimustes. Ühtlasi uurime, milliseid defekte neutronkiirgus ja muud kiirgused materjalides tekitavad. Meie kolmas uurimisteema on – tulevikkuvaatavalt – kuidas luua nn iseparanevaid materjale või vähemalt selliseid, mis end mingilgi määral taastaksid, nii pikeneks komponentide eluiga ja kahaneksid kulud.”
Teadlased kasutavad uuringuis luminestsents-, neeldumis- ja muid spektroskoopia meetodeid. Uurimiseks toimub materjalide neutronkiiritamine reaktorite juures mitmes välismaises teaduskeskuses, sest Eestis sellised seadmed puuduvad. „On üks optiliste materjalide klass – spinelli tüüpi kristallvõrega materjalid, mis kannatavad fusioonreaktorite väga tugevaid neutronivooge. Aga samas, plaanitava täismõõdus reaktori DEMO jaoks veel selliseid materjale pole, neid alles katsetatakse. Praeguste rehkenduste kohaselt on ju seal neutronite voo energia kindlasti kümme korda suurem kui ITER-is.”
Kas Eestis tuleb tehispäike?
On tõsi, et tuumasünteesil toimiv elektritootmise tehnoloogia ei saa kasutamisvalmis enne 2050. aastat. „Samuti ei tea me veel kindlalt, kas selline jaam võib saada tegelikult ka kommertsiaalses mõttes võimalikuks,” ütles Indrek Jõgi. „Kindlasti on vahepealsed lahendused vajalikud, ka ajakirjanduses on päris palju arutletud klassikalise tuumaenergeetika Eestisse toomist. Turvalisuselt on tehnoloogia palju arenenud. Aga üks suuremaid raskusi tuumaenergeetika arengus laiemalt on hoopis see, et tuumajaamad on kolossaalsed, nende ehitamine on äärmiselt raske ja ka riskantne.”
Madis Kiisk tõi näite, et kui elektrijaam maksab kakskümmend miljardit eurot (nagu praegu maksab ITER koos teadusarendusega), siis väiksed riigid ei olegi võimelised sellist asja ehitama. Kogu maailmas leidub vaid käputäis ettevõtteid, kes selleks on võimelised. Uued tehnoloogiad võimaldavad edaspidi ehitada väiksemas skaalas jaamu.
„Tootmisgigandil General Electric Hitachi on juba litsentsimisjärgus 300 MW võimsusega tuumareaktor, selle hind on ca miljard eurot. Niisugused reaktorid mahuvad juba näiteks sellisele alale, nagu on Vabaduse väljak,” märkis akadeemik Marco Kirm, kes on Tartu Ülikooli füüsika instituudi ioonkristallide füüsika labori eksperimentaalfüüsika professor.
„Muidugi, riske tuleb arvestada, aga Eesti peab langetama valiku. On näha, et põlevkivienergeetika enam ei toida, taastuvenergiast üksi jääb väheks,” rääkis Kirm. „Kui nüüd pikas perspektiivis mõelda, siis arvan, et tõenäoliselt ei ehitata termotuumareaktorit Eestisse kunagi, see on meile liiga suur projekt nii mastaapidelt kui maksumuselt. Aga Läänemere piirkonda oleks selline jaam juba täiesti mõeldav, siis peab see muidugi olema riikidevaheline projekt.”
Rahvusvaheline projekt ITER
ITER (ladina keeles „tee”) on 35 riigi ühisprojekt, et tõestada suuremõõtmelise tokamak-tehnoloogiaga fusioonreaktori kui süsinikuvaba energia tootmise allika teostatavust. Lõuna-Prantsusmaale aastast 2010 rajatav reaktor on praegu montaažifaasis, käivitamine on plaanis 2025. aastal.
ITER on esimene fusioonreaktor, mis peaks tootma rohkem energiat, kui on reaktsiooni tekitamiseks vaja. Reaktori loodetav kasutegur Q on 10, toodetava elektrienergia võimsus 500 MW. ITER on ka esimene fusioonreaktor, mis peaks saavutama sisemise energia arvelt püsiva reaktsiooni. Ühtlasi katsetatakse reaktoris kõrvalsaadusena ühe kütusekomponendi, triitiumi, tootmise tehnoloogiat ning hinnatakse tehnoloogia ja konstruktsiooni ohutust.
Aastal 1985 alguse saanud projektis osalevad Euroopa Liit, India, Hiina, Jaapan, Lõuna-Korea, Venemaa ja USA. Selles jätkamist on kinnitanud ka EL-ist lahkunud Ühendkuningriigid. Projekti suurim osaline on Euroopa Liit 45,6 protsendiga. Osalised kannavad nii projekti kulud kui jagavad eksperimendi tulemusi ning selle käigus välja töötatud lahendusi.
Allikas: iter.com