Kas termotuumareaktor peab nii suur olema? Varsti enam mitte

Tuumasüntees (ing. k. fusion) on füüsikute huviobjektiks olnud juba üle poole sajandi . Alates möödunud sajandi keskpaigast on loodetud, et paarikümne aasta jooksul lahendab see inimkonna energiaprobleemid.

Vahendab fyysika.ee

Paraku on tööstuslike seadmeteni endiselt pikk tee. Üldiselt on peetud kõige perspektiivikamateks tokamak (ven. k. тороидальная камера с магнитными катушками) tüüpi reaktoreid. Praeguseks on neid ehitatud sadu, suurim on Culhamis paiknev JET (Joint European Torus)¹.

Seni on kulunud reaktorite töös hoidmiseks rohkem energiat, kui tuumasünteesi reaktsioonidest tagasi saadud. Nüüd on aga lõpuks ehitamisel hiigelreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)² ja praeguste plaanide kohaselt hakkab see efektiivselt energiat tootma 2027. aastal. Siiski on tegu teadusprojekti, mitte elektrijaamaga.

Esimene tõeline tuumasünteesil põhinev elektrijaam DEMO (DEMOnstration Power Plant) peaks hakkama elektrit võrku andma 2040. aasta paiku. Tegu on hiigelmõõtu seadmetega ja ka parimal juhul võtab nende ehitamine ning seadistamine aastakümneid aega. ITER-i vaakumkamber kaalub veidi rohkem kui Eiffeli torn. Tasub märkida, et ITER-i konstruktsiooni põhiolemuses lepiti kokku juba 1980ndatel aastatel. Sellest ajast peale on aga teadus ja tehnika palju edasi arenenud, kuid hiigelmastaapide tõttu pole plaane kiirelt muuta võimalik.

Viimastel aastatel levivad aga kuuldused, et on mitmeid projekte, mis loodavad energeetiliselt efektiivse reaktorini jõuda kiiremini ja palju odavamalt. Üldiselt on nende märksõnaks kompaktsus. Väiksema seadme ehitamine võtab vähem aega ja muudatuste tegemine on oluliselt kiirem. Olgu öeldud, et ITER-i vähendatud koopia ehitamine pole lahendus, sest arvutused näitavad, et efektiivne reaktor vajab suurt ruumala, vastasel korral pole muud parameetrid (plasmat lõksustava magnetvälja tugevus, soojusvoog materjalidele jne.) enam mõistlikkuse piirides.

Üldiselt ongi tuumasünteesi projektide üheks väga oluliseks märksõnaks plasma lõksustamine. Et reaktsioonid saaksid toimuda, on vaja hoida plasmat piiratud ruumalas. Kuna temperatuur on ülikõrge (100 000 000 K), siis ei saa seda teha lihtsalt anumat kasutades. Üheks kavalaks võimaluseks plasma seadme seintest eemal hoidmiseks on magnetvälja kasutamine (magnetiline lõksustamine). Nimelt hakkavad laetud osakesed, millest plasma koosneb, magnetväljas liikuma mööda kinnist trajektoori. Seega on nende liikumine ruumis piiratud ilma, et nad seadme seintega kokku puutuks. Lõksustamiseks on võimalik kasutada erinevaid magnetvälja konfiguratsioone. Seni on peetud kõige perspektiivikamaks tokamaki, mis kujutab endast toroidi (sõõriku) kujulist kambrit. Magnetväli on selles suunatud peamiselt piki toroidi sisemust.

Suurima meediatähelepanu on pälvinud USA firma Lockheed Martin³, kes oma sõnul ehitab reaktorit, mis mahub veoauto järelhaagisesse. Paraku on firma arendustegevuse kohta andnud väga vähe infot. Teada on, et kavatsetakse kasutada nn. magnetpeeglitega lõksustamist (ing. k magnetic mirror confinement). Sellise konfiguratsiooni puhul tekitatakse magnetvälja abil virtuaalsed seinad, millelt laetud osakesed tagasi põrkuvad. Lockheed Martin toob ära küll reaktori konstruktsiooni põhiidee, kuid saavutatud tulemused hoitakse enamasti saladuses. Viimased teated pärinevad 2014. aasta oktoobrist.

Lockheed Martini projektijuht Tom McGuire ütles 2014.a. oktoobris, et töötav prototüüp võiks valmida viie aasta pärast ning reaktoreid saaks tööstuslikult tootma hakata kümne aasta pärast. Praeguste katsetulemuste kohta nendib ta lakooniliselt, et kõik paistab toimivat nii, nagu peab. Samas möönis ta, et mingeid garantiisid ei ole. Paljud teadlased suhtuvad sellesse projekti skeptiliselt, väites et magnetpeeglitega lõksustamine on läbikäidud tee ja ei paku mitmetele fundamentaalsetele tuumasünteesiga seotud probleemidele lahendust⁴.

Oluliselt avatum on kompaktsete tokamakide uurimine. Oma olemuselt on nad sarnased nn. konventsionaalsetele tokamakidele (ITER, JET), kuid on kaks olulist erinevust. Esiteks kasutatakse kõrgetel temperatuuridel (üle 20 K) töötavaid ülijuhtivaid magneteid, mistõttu on energiakulu magnetite jahutamisele palju väiksem. Omaette probleemiks on nende magnetite kaitsmine tuumasünteesil tekkivate neutronite eest. Kui aga siiani arvati, et neutronid halvendavad magnetite omadusi, siis nüüd on selgunud, et teatavatel tingimustel võivad nad neid hoopis parandada. Tõsi, selleks tuleb töötada oluliselt madalamatel temperatuuridel, kui oleks võimalik ilma neutronkiirguseta. Ometi on see temperatuur siiski palju kõrgem kui harilike ülijuhtivate magnetite töötemperatuur, mis jääb 4 K kanti.

Teiseks on muudetud reaktorite geomeetriat, tegu on nn. sfääriliste tokamakidega, mis võimaldavad plasmat efektiivsemalt lõksustada. Need seadmed on kohati sedavõrd kompaktsed, et neid on ehitatud pea olmematute kuludega suurte tokamakide varuosadest. 2014. aasta juulis hakkas tööle maailma esimene kõrgtemperatuursete ülijuhtivate magnetitega tokamak ST25 ja ehitamisel on ST40. Need seadmed ei võimalda küll veel tuumasünteesi efektiivselt energiatootmiseks kasutada, kuid toovad meid sellele lähemale. Kuna oma mõõtmetelt on need seadmed küllaltki tagasihoidlikud, siis võtab täiustuste realiseerimine palju vähem aega kui traditsioonilistes hiidseadmetes. Praeguseks on olemas ka projekt ST60, mis peaks olema juba efektiivselt energiat tootev reaktor⁵.

Lisaks kõrgtemperatuursele ülijuhtivusele ja muudetud geomeetriale on veel palju pisemaid täiendusi, mis reaktorid efektiivsemaks muudavad. Üheks näiteks vedela liitiumi kasutamine reaktori seintel.

Kas esimesena jõuab sihile aastakümneid planeeritud suurporjekt või mõni uusimatel teadussaavustustel põhinev väiksem arendus, peaks selguma lähema kümne aasta jooksul.

Allikad:

• [1] http://www.ccfe.ac.uk/JET.aspx
• [2] http://www.iter.org/
• [3] http://www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html
• [4] http://www.technologyreview.com/news/531836/does-lockheed-martin-really-have-a-breakthrough-fusion-machine/
• [5] http://www.ccfe.ac.uk/ST.aspx