Tokamak vs stellaraator: kumb reaktor kingib inimkonnale peaaegu ammendamatu energia?
Üks neist kahest peab inimkonnale kinkima peaaegu ammendamatu energia, vahendab ajakiri Imeline Teadus.
Mullu 3. veebruaril vajutas Angela Merkel punasele nupule ja laskis vesiniku esimest korda Saksamaa uude termotuumareaktorisse Wendelstein 7-X.
Äärmiselt kuuma ja elektriliselt laetud vesinikgaasi hoiti magnetväljas kinni veerand sekundit.
See ei kõla eriti pika ajana, aga Merkeli nupulevajutus oli oluline samm taltsutamaks jõude, mis annavad energiat Päikesele ning on võimelised lõplikult lahendama ka Maa elanike energiamured. See päev märkis läbimurret kasutuskõlbliku termotuumatehnoloogia suunas.
Tuumasünteesi käigus „sulavad“ väikese massiga aatomituumad kokku ning selle käigus vabaneb energia. Päikeses tekib vesinikutuumade ühinemise tulemusena heeliumi tuum tänu suurele gravitatsioonile juba temperatuuril 10 miljonit kraadi Celsiuse järgi.
Kuum vesinik muutub esmalt plasmaks, milles elektronid on aatomituumadest eraldunud, ning algab tuumasüntees.
Maal läheb sama protsessi käivitamiseks tarvis kümme korda suuremat temperatuuri – see peab olema vähemalt 100 miljonit C. Niisuguse temperatuuri saavutamiseks tuleb välistada kõik soojuskaod. Näiteks ei tohi plasma puutuda kokku oma „anuma“ seintega, sest need jahutaksid plasma maha.
Plasmat on anuma ehk tuumareaktori seintest võimalik eemal hoida tugeva magnetvälja abil. Seda nimetatakse plasma magnetsulustamiseks. 20. sajandi keskpaigas leiutati peaaegu üheaegselt kaks magnetsulustamise põhimõttel töötavat reaktoritüüpi.
1950. aastal pakkus Sahhalinil aega teeninud Nõukogude armee nooremseersant Oleg Lavrentjev oma kirjas Stalinile välja juhitava termotuumasünteesi idee.
Kiri jõudis diktaatori töölaualt kiiresti füüsikuteni ning veel samal aastal visandas Andrei Sahharov koostöös oma õpetaja Igor Tammega (hoolimata eestipärase kõlaga perekonnanimest oli Tamm tegelikult hoopis saksa juurtega - toim) plasma magnetväljas rõngakujulises ehk nn toroidaalses kambris sulustamise lahenduse. Säärane reaktor sai venekeelse lühendi järgi nimeks tokamak-reaktor.
Niisuguses reaktoris surub magnetväli plasma sõõrikukujuliseks moodustiseks, mis ei puutu kokku reaktori seintega. Magnetvälja tekitab võimas elektrivool, mis ringleb reaktorikambrist väljapoole paigutatud mähises.
Tokamaki eripära on, et selles toimib plasma ise sekundaarmähisena, väline mähis on primaarmähis. Voolu muutumine primaarmähises indutseerib voolu plasmas. See tekitabki nii plasmat vangistava magnetvälja kui ka kuumutab plasmat.
Paraku saab plasma tokamakis püsida vaid lühikest aega, sest transformaator, mille põhimõttel tokamak töötab, ei saa voolu genereerida pidevalt. Seega tuleb plasma stabiilsus tagada muul muude palju keerulisemate võtetega.
Samal 1950. aastal projekteeris USA teadlane Lyman Spitzer pisut erineva reaktori, mis valmis Princetoni ülikoolis juba järgmisel aastal.
Ka stellaraatoriks nimetatav reaktor kasutab magnetsulustamise põhimõtet, kuid erinevalt tokamakist on selle välised mähised väga keerulise kujuga ning plasmas voolu tekitamine ei tugine transformaatori-efektile. Seega on stellaraator võimeline töötama pidevalt.
Wendelstein 7-X on maailma suurim stellaraator-tüüpi reaktor. Teadlaste ja inenseneride eesmärk on saavutada pool tundi kestev stabiilne plasmarõngas. Kui see õnnestub, võib see rajada tee elektrijaamadele, kus termotuumakütust saab magnetväljas kinni hoida kuid.
See teeb Saksa reaktorist väärilise vastase praegu Prantsusmaale rahvusvahelise koostöö käigus ehitatavale reaktorile ITER. Too on nimelt tokamak-tüüpi reaktor.
Võidujooksust töövõimelise termotuumareaktori loomise nimel loe lähemalt jaanuarikuu Imelisest Teadusest!
