Kui seni on maailma suurenevat energeetikanälga rahuldatud tuumajaamades aineosakeste lõhustamisega, tõotab tulevik hoopis tuumasünteesi võidukäiku.

Prantsusmaale ehitatava ITER-i tuumasünteesireaktori loomisel on oma roll ka TÜ füüsika instituudil, mis võõrustas hiljuti Tartus esinduslikku tuumateadlaste seltskonda. UT-le tutvustas valdkonna arengut tahkisefüüsika vanemteadur Madis Kiisk, kes on ka Eesti tuumasünteesiuuringute töörühma juht.

Milliste küsimuste üle Tartus kohtunud tuumaenergia arendajad peamiselt arutasid?

Mullu toimus 28.–30. novembrini Tartus Euroopa tuumasünteesiprogrammi koordineeriva organisatsiooni EFDA töögrupi Plasma Wall Interaction (PWI) iga-aastane töökoosolek «Annual Meeting of the PWI Task Force 2012». Töörühm tegeleb valdkonnas uurimistööga, et leida magnetsulustusega (sõõrikukujuline plasmareaktor ehk Tokamak-tüüp) tuumasünteesireaktori selline materjalide ja plasma konfiguratsioon, mis võimaldaks tagada soovitud kasutusaja ja töökindlusega reaktori töö. Praegu käib suurem osa tööst selle nimel, et need tingimused oleks täidetud ehitamisel oleva tuumasünteesireaktori ITER puhul. Prantsusmaal Cadarache'is peaks reaktor valmima 2020. aasta lõpuks. Töögrupi peaeesmärk on keeruline  ja konkreetsete teaduslike või tehniliste probleemide lahendamine vajab kompleksset lähenemist. Töörühmad on loodud selleks, et lahendada kõige keerulisemaid küsimusi koos ja koordineeritud moel. Panustada saavad kõik Euroopa uurimisrühmad, kes on liitunud siinse tuumasünteesiprogrammiga. Lahendamist vajavad küsimused puudutavad praegu plasma poolt põhjustatud materjalide erosiooni ja sadenemisprotsesside uurimist reaktori sees plasmaga kontaktis olevatel seintel, nende seinte kattematerjalide ja uute materjalide kandidaatide valikut ning käitumist reaktoris valitsevates tingimustes.

Kui kaua on tehtud ettevalmistusi, et tuumasünteesi abil saaks elektrit toota?

Ettevalmistusi on tehtud juba üle 50 aasta. Nende aastate jooksul, aga eriti just tuumasünteesiuuringute algusaastail, ei osatud näha ülesande teaduslikku ja tehnilist keerukust. Seetõttu on tekkinud arvamus, et tööstuslik ning otsest majanduslikku kasu andva reaktori valmimine on ajalises plaanis endiselt sama kaugel kui 50 aastat tagasi. Kui vaadata aga progressi ja koondada kokku tuumasünteesireaktoritel saavutatu, võib selgelt näha, et areng on olnud pidev ja me ei tohiks olla enam kaugel plasma tingimustest, mis on vajalikud ka tööstusliku reaktori jaoks. Sellele võiks anda vastuse 2020. aastal valmiv ITER-i reaktor, kus eesmärgiks ongi saada vastus küsimusele, kas ITER-i konstruktsiooniga Tokamak-tüüpi reaktorit saaks põhimõtteliselt ja tehniliselt kasutada elektri tootmiseks. Umbes aastaks 2035 on kavandatud tuumasünteesireaktori DEMO valmimine, mis peaks demonstreerima tehnoloogia kasutatavust energiatööstuses. Euroopa tuumasünteesiprogrammi ja EFDA poolt hiljuti heaks kiidetud teekaart püüavad seada eesmärki, et tuumasünteesil põhinev tegelik elektritootmine saaks võimalikuks alates aastast 2050.

Kogu eelnev kirjeldab Tokamak-tüüpi magnetsulustamisel põhinevate reaktorite arenguplaane. Samal ajal tegeletakse ka alternatiivsete lahenduste arendamisega, kuid võib üsna kindlalt väita, et Tokamak-tüüpi reaktor on praegu siiski kõige enim uuritud ja arenenud lahendus.

Mis on selles vallas peamised takistused?

Uurimist vajavaid küsimusi on palju, mis võib jagada plasmaga seotuks ning konstruktsioonilisteks. Olgugi, et plasma on magnetpüünisesse pandud, pole seda seal mitmetel põhjustel võimalik ideaalselt kontrolli all hoida. Üks põhiküsimus ongi, kas suudame plasmat kontrollida piisavalt hästi, et reaktori pikaajaline töö oleks garanteeritud. Siin annavad optimismiks alust hiljuti JET-is (mis on hetkel suurim tuumasünteesireaktor Euroopas) tehtud eksperimendid, kus reaktori grafiitkattega sisu vahetati ringi ITER-is kasutusele tuleva berülliumi ja volframi vastu. Ilmnes, et plasmat ümbritseval materjali vahetamisel on oodatust suurem mõju ka plasma käitumisele ning selle kontrollitavusele. Põhjus on selles, et plasma põhjustatud kattematerjalide erosioon plasmasse häirib oluliselt ka plasma käitumist.

Konstruktsioonilised küsimused on põhjustatud peamiselt reaktoris valitsevatest äärmuslikest tingimustest:

1) plasma keskmes olev temperatuur küündib kuni 150 miljoni kraadini Celsiuse järgi;

2) tuumasünteesireaktsioonid genereerivad kõrge energiaga ja suure intensiivsusega neutronvoogu;

3) plasma poolt üle kantud ning genereeritud energeetiliste osakeste poolt üleantav energia võimsus peab jääma materjalide poolt vastuvõetavale tasemele.

Kõige keerulisemad küsimused on ilmselt seotud just sellega, kuidas tulevad neutronid toime materjalide lagundamisega ning kuidas plasma ja energeetiliste osakesed tagavad üleantava energia absorbeerimisvõime. Siin on oluline koht uute materjalide ja tehnoloogiate arendamisel. Tuleb välja töötada materjale, mis oleksid vastupidavad kiiritusele ning suudaksid taluda ka stressi, mis tuleneb temperatuuri suurtest erinevustest.

Millal võiksime tuumasünteesi näha töötamas ehk energiat andmas?

Euroopa kolleegide ajakava on eespool juba kirjeldatud. Peame kindlasti arvestama väga pika ajaperspektiiviga, enne kui saame otsest majanduslikku kasu. Energeetiline kasu võiks aga saabuda varem. Kui ITER käivitub plaanipäraselt, peaks reaktor hakkama tootma energiat kümme korda rohkem, kui sellele sisse antakse, mis ei saa juhtuma aga ilmselt enne aastat 2026. Alles siis hakatakse kasutama reaktorikütusena deuteeriumi-triitiumi segu (rasked vesiniku isotoobid). Enne seda töötab reaktor liigse radioaktiivsuse vältimiseks kergemal vesiniku isotoobil.

Milline on siin TÜ teadlaste roll ja kuidas edenevad uuringud meil?

TÜ teadlaste tegevus langeb PWI valdkonda. Arendame välja online-diagnostikameetodit reaktorikambri siseseinte erosiooni ja sadenenud materjali mõõtmiseks töötavatel reaktoritel. Samuti tegeleme JET-reaktori triitiumisisalduse mõõtmisega reaktori eri osades, mis on oluline nii reaktori ohutuse kui ka plasma käitumise uurimiseks.