Ei ole kulunud palju rohkem kui 70 aastat ajast, mil teadlased tõsikindlalt välja uurisid, miks Päike ikkagi paistab - kust saab see oma energia. Selgus, et hiiglaslik kogus energiat vabaneb vesiniku muundumisel heeliumiks. Aatomituumade ühinemisel ehk tuumasünteesil ehk fusioonil (ingl fusion - kokkusulatamine) tekkiv energia ei ole sest peale rahu andnud tuumateadlastele, füüsikutele ega ka inseneridele. Kui Päikese energiat oskavad püüda taimed ja sellega saab soojendada vett ning isegi elektrit toota, miks mitte siis minna veel kaugemale. Maad Päikesele lähemale sõidutada, isegi kui see võimalik oleks, pole just liiga ohutu. Ent miks mitte tuua Päike maa peale.
Põhimõtteliselt on see ju lihtne. Tuleb võtta kaks vesiniku isotoopi, suruda need kokku ning saamegi heeliumi aatomi ja väga energilise tuumaosakese neutroni. Reaktsiooni käigus saadakse kokku veidi vähem ainet kui oli algul, ja see, mis üle jääb, on puhas energia, mida võib välja rehkendada maailma kuulsaima, Einsteini võrrandiga E = mc², kus m on osakese mass ja c elektromagnetlainete levimiskiirus.
Lihtne küll - kui mitte arvestada, et nagu kõik tuumad, tõukuvad ka vesinikutuumad. Päikesel hoiab tuumareaktsiooni käigus hiiglaslik gravitatsioonirõhk, mille tõttu toimub tuumasüntees vaid „tühise" 15 miljoni kraadi juures. Maal peab selle käigushoidmiseks saavutama kümme korda kõrgema temperatuuri. Ükski materjal säärast kuumust välja ei kannata ja nõnda peab sel temperatuuril olev plasmaolekus aine hõljuma reaktori sees, seintega kokku puutumata. Selleks on vaja hiiglaslikku magnetvälja, mida suudab tekitada vaid ülijuhtiv magnet.
1950. aastate keskel töötasid fusioonireaktorid Nõukogude Liidus, Ühendkuningriigis, USAs, Prantsusmaal, Saksamaal ja Jaapanis. Optimism oli suur, ent reaktorites ei õnnestunud plasmat eriti kaua alal hoida ja see neelas energiat, mitte ei tootnud seda.
Nüüd on taolise unistusega kõige otsesemal moel ja rahaliseltki seotud üle poole inimkonnast. Rahvusvahelise Termotuuma Eksperimentaalreaktori (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) loomise mõte tekkis 1985. aastal, ent formaalselt käivitus ettevõtmine 24. oktoobril 2007. Sellega ühinenuid on seitse - Euroopa Liit, USA, Jaapan, Hiina, India, Lõuna-Korea ja Venemaa. Lühendist ITER on saanud juba tavaline käibesõna.
Kookospähklid ja ülijuhtivad tünnid
Karlsruhe Tehnikainstituudi tehnilise füüsika instituudi teadlane Walter Fietz juhib meid, ajakirjanikke, süviku ette, mis meenutab kunagist tsirkuse tünnisõidu areeni. Ainult et see on mitukümmend korda suurem silinder ja selles ei tegutse mootorratturid, vaid tipptehnikud ja -teadlased, kes katsetavad hiiglaslikku ülijuhtmagnetit, mis ITERi reaktoris peaks hoidma hiigeltulise plasma hõljumas ja eemal reaktorianuma seintest.
Siin ongi kõik vähemalt sada korda suurem, isegi uksed, mille kaudu seadmeid sisse-välja liigutatakse. Rääkimata kaablitest, mis annavad magnetile voolu ja mis on mitte torujad, nagu oleme harjunud nägema, vaid karpjad, kuna neid läbiv hiiglaslik vool vajab ka suurt kanalit, kus voolata.
Kuni Karlsruhe teadlased töötavad välja sobilikku ülimagnetit, ootavad läheduses paiknevas garaažis kookospähklid. Ja mitte üks või kaks, vaid mõni tonn. Pähklid on kohale toodud Indoneesiast ja nendel on oluline osa tuumareaktori töös.
Plasma saab tekkida ja säilida vaid ülimas vaakumis. Kuid vaakumpumbad, mis imevad õhku ITERist välja, peavad suutma plasmakambrist välja viia ka jäätmed. Sest ITER ei ole looduse vaatenurgast ainulaadne seade - sellegi puhul kehtib reegel, et mis tegutseb, see tekitab ka jäätmeid. Jäätmeteks on sel puhul fusioonireaktorist pärit jäätmeheelium ja rämpsained, mis tekivad, kui plasma reaktoriseinaga kokku puutub.
Gaasijäätmeid saab eemaldada vaid suurte krüogeensete, madalal temperatuuril toimivate pumpadega, mida ehitatakse Karlsruhes. Krüopump töötab nõnda, et haarab gaasimolekulid külmale pinnale. ITERis kasutusele tulevad pumbad on kaheastmelised, jahutatuna kaheksakümne viie kelvini kraadi peale. Enamik gaase sellistel temperatuuridel külmub, kuid heeliumi ja vesiniku isotoope on raskem kinni püüda. Neid saab kätte vaid adsorptsiooniga ehk sidudes gaasimolekulid lõdvalt tahkele pinnale. Ja mida suurem on siduva aine eripindala, seda parem. „Pind peab olema poorne nagu käsn, millel on palju sisemisi pisipindu," selgitab krüopumpasid ehitav Karlsruhe Tehnikainstituudi teadlane Christian Day.
Koos kolleegidega otsis ta säärast ideaalset käsna tervelt paar aastakümmet. Nad uurisid poorseid paagutatud metalle ja poorseid mineraale tseoliite. Ning leidsid, et kõige suurem gaaside siduja on söestatud orgaaniline aine. Nad valmistasid sütt küll polümeeridest ja turbast, küll igasugustest puuliikidest ning villast, puuvillast ja millest kõigest veel. Ning jõudsid lõpuks järeldusele, et kõige paremini töötab adsorbendina kookospähkli koore süsi.
Et seda valmistada, tuleb koored söestada hapnikuvaeses keskkonnas, seejärel pesta neid happega ja puhastada auruga. Nõnda tekib poorne materjal, mille pindala on väga suur, umbes 1200 ruutmeetrit kookoskooresöe grammi kohta. Ning sellel söel on mitmesuguse suurusega poore, mis on vajalikud, et kinni püüda erinevaid gaase.
Vähe sellest - ka kookospähkli kasvupaik on oluline. Parim kookospähkel ITERi tarbeks kasvab ühel Indoneesia saarel, kust see tuli koguda parimal aastal ja parimal päeval. Nii ostetigi saareelanike rõõmuks kokku peaaegu kogu 2002. aasta kookosesaak. Sellest peaks piisama õige mitmeks aastakümneks.
Juhitud vesinikuplahvatused
Tuumaohutuse uurimisprogrammi juht Joahim Knebel ütleb, et Karlsruhes ei uurita mitte ainult tuumasünteesi käimapanemise võimalusi, vaid ka tuumareaktorite ohutust, tuumajäätmete hoiustamist, kiirguskaitset ja iganenud tuumajaamade seiskamisega seotud probleeme. „Sõltumata otsusest, kas Saksamaal tulevikus tuumaenergiat kasutatakse või mitte, vajab riik siiski tipptasemel tuumateadmist," ütleb Knebel.
Selgub, et tuumareaktori ohutust saab uurida ka käsikäes vesinikuenergeetika ohutuse uuringutega. Karlsruhe Tehnikainstituudi tuuma- ja energiainstituudi vesinikutehnoloogia teadlane Jörg Starfinger ei arva, et ajakirjanikud peaksid just suuremat vesinikuplahvatust kogema ning demonstreerib vesinikuga täidetud õhupalli plahvatamist.
Kuid vesinikuenergeetika jaoks sellest ei piisa. Et uurida, mis juhtub, kui kütuseks kasutatav vesinik plahvatab, on instituudi angaaridesse ja hoovile ehitatud hulganisti mitmesuguse suurusega kinniseid tünne, mis meenutavad kütusemahuteid või siis kogunisti batüskaafe. Need mahutid peavad taluma suuri rõhke, sest just seal pannakse vesinik plahvatama ja mõõdetakse seejärel, kui suur rõhk, temperatuur ja lööklaine sellega kaasneb. Nõnda saab läbi mängida mitmeid stsenaariume, mida siis järgnevalt arvutitel simuleeritakse. „Vesinikkütuse plahvatus pole kaugeltki nii ohtlik, kui tavaliselt arvatakse - isegi kui see juhtub tunnelis, pole suuremat õnnetust karta," rahustab Starfinger.
Teine lugu on tuumareaktoriga. Reaktori kattesein ehk katmik (ingl blanket - tekk, katmik) tehakse 440 roostevabast poole meetri paksusest terasplokist ja seda läbivad kõrgrõhu veetorud, milles voolav vesi peab katmikku jahutama. Teraskatmik neelab enamiku neutronitest ja tekkinud soojuse kannab ära vesi. Tuumasünteesi käigus toodetud hiiglaslikku soojushulka juhib eemale kolm miljonit kuupmeetrit vett aastas. Plasma poole pööratud katmiku külg aga kaetakse berülliumist valmistatud kividega, sest teras sellisele kuumusele, mida plasma kiirgab, vastu ei pea. Berüllium on nõnda kerge metall, et kui see ka plasmakiirguse mõjul veidi aurustub, siis reaktorituli selle tagajärjel ei sumbu.
Iga neljatonnine plaat peab vastu pidama sajatonnisele jõule, mis tekib läbivoolava elektri ja magnetväljade mõjul. Lisaks on plasmas oodata veel plasmapurskeid nagu Päikese pinnal. Neid saab summutada, visates sinna jääkuubikuid.
Ühinemiseks vajalikku vesiniku isotoopi deuteeriumi saab mereveest küllaldaselt, ent radioaktiivse triitiumi maapealseid varusid leidub hinnanguliselt vaid kakskümmend kilogrammi. Karlsruhe Tehnikainstituut on Euroopa Liidu ainus litsentseeritud triitiumikasutaja ning seal lubatakse käidelda üldse kuni nelikümmend grammi triitiumi. Seepärast uuritakse sedagi, kuidas triitiumi juurde toota. See on võimalik, kui pommitada fusioonireaktorist pärit energiliste neutronitega kergmetalli liitiumi, mida leidub maa peal sama ohtralt nagu tina. „Et tegu on radioaktiivse ainega, töötatakse selle käitlemiseks välja ohutut tehnoloogiat," selgitab Knebel.
Lõuna-Prantsusmaal Cadarache'is ehitatav ITERi katseseade loodetakse käiku lasta umbes 2020. aastal. Just nimelt umbes, sest tähtaega on majanduslikel põhjustel juba esialgsest 2018. aastast umbmäärasemasse tulevikku nihutatud. Kuid majanduse olukorrast tugevam on inimese soov ehitada Maale tehispäike. Ka 1930. aastatel, mil Hans Bethe välja nuputas, kuidas tähed energiat toodavad, oli majanduskriis nii tema kodumaal Saksamaal kui ka USAs, kus ta oma Nobeli preemia vääriliseks tunnistatud tööd tegi.
Eesti osalus ITER-projektis
2007. aasta algusest on ITERi projektis osalenud Tartu Ülikooli ning Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi uurimisgrupid. Ühisuuringute struktuur on korraldatud nii, et iga riik, õigemini mõni teadusasutus või teadust korraldav ettevõte, on sõlminud Euroopa aatomienergia ühenduse Euratomiga assotsiatsioonilepingu. „Meie osaleme ühes soomlastega Euratom-Tekesi koosseisus, moodustades Eesti uurimisrühma," kommenteerib Euratom-Tekesi Eesti rühma juht Madis Kiisk.
Euratomi Eesti-poolne lepingupartner on Tartu Ülikool. Selles osaleb Aleksandr Luštšiku grupp dielektrikmaterjalide kiirituskindluse uuringutega ning Matti Laane rühm tokamaki sisepindade on-line diagnostikameetodi arendamisega. 2007. aastal osales ka Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi uurimisgrupp Andi Hektori juhtimisel. Lisaks nendele tegutseb 2009. aasta algusest veel Madis Kiisa uurimisprojekt triitiumi sügavusprofiilmõõtmistega tokamaki sisepinna katetes, mis on ühtlasi Eesti, Soome ja Rumeenia koostööprojekt.
LOE VEEL
- Tiit Kändler. Mis värvi on energia. Horisont 3/2009.
