Müncheni-lähedal Garchingis asub Max Plancki plasmafüüsika instituut (IPP), mille teadlased näevad vaeva päikese Maale toomise nimel, kirjutab ajakiri
.

Nende aparaat Asdex Upgrade on seni Saksamaa suurim termotuumarajatis. Ka pärast tuhandeid katsetusi pole teadlased ikka veel eesmärgini jõudnud. Arne Kallenbach ütleb: «Püüame jätkuvalt täiuslikku süüdet, mille puhul kõik klapib.»

Juba pool sajandit higistavad kogu maailma füüsikud fusioonitule süütamise kallal. Nii pika aja järel on avalikkus ammu kaotanud lootuse, et sellest uurimistööst midagi kasulikku sünnib. Kuid just nüüd, mil vaevalt keegi enam nende töö vastu huvi tunneb, näivad plasmafüüsikud tegevat enneolematuid edusamme.

Täis entusiasmi, kõneleb IPP uus direktor Günther Hasinger uutest saavutustest. Kuni viimase ajani oli ta astrofüüsikuna sukeldunud universumi mustade aukude saladuse paljastamisse. Nüüd on Saksa fusiooniuurijate ülemus teada saanud, kui kaugele on ta kaastöötajad vahepeal salamisi jõudnud.

«Me läheneme läbimurdele, asi edeneb kiiremini, kui paljud arvavad,» oletab Hasinger. «Apollo-programmile sarnaneva lähenemisega tuumasünteesile oleksime juba aastatuhande vahetuseks saanud ehitada reaktori, mis tootnuks voolu ja soojusenergiat – kuid nii suure masina jaoks puudus raha.»

Tähtede sisemuses toimub tuumasüntees iseenesest. Tohutu rõhu all sulanduvad kerged vesinikutuumad raskemaks heeliumiks. Selle juures vabanevad pea hoomamatud energiakogused. Just see aastamiljardeid kulgev tuumafusioon on see, mis elu Maal lakkamatult valguse ja soojusega varustab – kuid laboris ei lase päike end sugugi nii lihtsalt järele teha.

Tõrge tekib juba sellest, et ükski maine masin ei suuda tekitada nii suurt rõhku, kui on tähe sees. Teadlased proovivad seda puudujääki korvata Päikese temperatuurist veel kõrgemate temperatuuridega: nad kuumutavad gaasilist ioniseeritud vesinikku tähelepanuväärse 100 miljoni kraadini Celsiuse skaalal.

Nii tekkivat plasmat on raske ohjeldada. Seda peavad hõljumas hoidma tugevad magnetid; niipea, kui see liialt kambriseintega kokku puutub, plasma saastub, seeläbi jahtub – ja tundlik fusiooniprotsess laguneb koost.

Siiski pole probleem enam selles, kuidas vesinikutuumi sulanduma saada. Futuristlikud kuumutamismasinad, teiste seas hiiglaslikud mikrolaineseadmed, viivad äärmiselt hõrendatud gaasi sekundite jooksul mitmekordse tähetemperatuurini. Garchingi teadlaste arsenali kuulub ka osakestekahur: see tulistab plasmasse osakesi, mis seal pidurduvad ja selle läbi suure osa oma energiast ära annavad.

Igatahes vabaneb laborifusioonis liiga vähe energiat, et tuumade sünteesiprotsessi iseenesest käigus hoida. Ilma pideva kuumutamiseta väljastpoolt kustub fusioonileek. Teadlastele näib, nagu süütaksid nad märga puitu.

Plasma isoleerimine pole veel piisavalt hea, liiga palju energiat läheb kaduma. Kuid pääsetee on olemas: tõeliselt suure fusiooniseadme ehitus. «Kui me plasma ruumala drastiliselt suurendame, vähenevad automaatselt soojakaod,» selgitab Hasinger. «Me kutsume seda jääkaruvalemiks: külmades oludes on suuremal loomal väiksemast lihtsam kehasoojust säilitada.»

Toomaks tõendeid, et termotuumasüntees on tõepoolest energia tootmiseks kõlbulik, soovivad teadlased nüüd ehitada ülivõrdelise seadme: mõne kuu pärast algavad Lõuna-Prantsusmaal Cadarache’is termotuumajaama ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor – rahvusvaheline eksperimentaalne termotuumareaktor) ehitustööd. 500megavatine katsereaktor peaks esmalt tootma kümme korda rohkem energiat, kui kulub plasma kuumutamiseks – see oleks tõepoolest kauaoodatud läbimurre.

Niisuguse kolossi konstrueerimine kestab veel ühe aastakümne – vähemalt. Ja alles 2050. aastast võiksid võrku lülituda esimesed kommerts-termotuumajaamad. Kuid Hasinger on veendunud: «Kui ITER kümne-kaheteistkümne aasta pärast käima läheb, ei kahtle enam keegi, et tegu oli hea investeeringuga.»

Mets Cadarache’i ümbruses on juba raadatud, viimased metssead on mujale tõrjutud. Buldooserid on piirkonna siledaks lükanud. 30 meetri kõrguse reaktorihoone jaoks on betoon ja teras tellitud.

Euroopa kõrval osalevad ligi 80 miljardit krooni maksva seadme rajamises Venemaa, USA, Hiina, India, Jaapan ja Lõuna-Korea. Juba praegu on teada, et ITER läheb maksma vähemalt 30 protsenti rohkem, kui algselt hinnatud.

Kriitikud peavad seda kõike mahavisatud rahaks – ega pane selle juures tähele, et ainuüksi kivisöe kaevandamine neelab Saksamaal igal aastal 40 miljardit krooni. Kui fusiooniga tõepoolest õnneks läheb, oleks inimkonna energiamured igaveseks lahendatud – unistus (peaaegu) puhtast külluslikust energiast saaks tõeks. Kas inimkond peaks tõsimeeli loobuma tehnoloogia arendamisest, mis suudab kunagi asendada kõik tuuma- ja söeenergiajaamad?

Mida termotuumajaamad teoreetiliselt suudavad, kõlab nõidusena. Kuna tuumade sünteesi puhul muundatakse ainet energiaks (mis seletab ka vesinikupommide laastavat hävitusjõudu), tuleks 1000megavatine fusioonireaktor toime jahmatavalt vähese küttekogusega: tunnis põletataks pelgalt kümne suhkrutüki kaalu jagu. Kokkuvõttes võib ühest kilogrammist vesinikust toota sama palju voolu kui 11 000 tonnist kivisöest.

Ajakirja Tarkade Klubi märtsinumbris:
  • Kes on Eesti kõige tegijamad teadlased?
  • Eesti suusakoondise määrimisnipid
  • Rein Luik - Eestist sirgunud kosmoseside tippmees
  • Arvutid võtavad bioloogia üle
  • Termotuumajaam jõuab käeulatusse
  • 20 aastat Exxon Valdezi katastroofist
  • Kütuseks vajalikku rasket vesinikku (deuteeriumi) saab odavalt ning pea piiramatus koguses toota ookeaniveest; sõltuvus fossiilsetest toorainetest nagu nafta või maagaas oleks ühe hoobiga kõrvaldatud. Erinevalt söejaamast ei paiskaks termotuumajaam atmosfääri ka mingeid kasvuhoonegaase.

    Õnnetuseoht on samas olematu; juba vähimagi häirituse korral lakkab tuumasüntees iseenesest. Radioaktiivseid jäätmeid jälle, mis tekivad reaktori siseseinte pommitamisest suure energiaga neutronitega, on suhteliselt lihtne käidelda. Nende kiirgus on juba saja aasta järel suuresti hääbunud.

    Ka teise kütuse, triitiumi kasutamine on samavõrd väikese riskiga. See radioaktiivne vesinikuisotoop kiirgab nõrgalt, tema poolestusaeg on ainult 12,3 aastat. Garchingi fusiooniseadet käitatakse veel ilma triitiumita. Katsereaktoris ITER segatakse seda aga omalaadse tuumasüüte kiirendajana deuteeriumiplasmasse. Energiasaaki saab sel kombel drastiliselt suurendada.

    Veel ühe triki, kuidas fusiooniprotsessi tunduvalt parendada, avastasid Garchingi füüsikud alles hiljuti. Seadmes Asdex Upgrade läbi viidud seni trükis avaldamata eksperimentidega avastasid nad, millist sensatsioonilist mõju avaldab lämmastiku lisamine.

    Selle asemel, et sellise saastumise asemel jahtuda, muutus plasma hoopis kuumemaks – ja ühtaegu kahekordistus energiatoodang. «Me pole veel päris aru saanud, kuidas see ootamatu fenomen toimub,» tunnistab Hasinger. «Üllataval kombel hoolitseb lämmastik ilmselt suurema isolatsiooni eest.»

    Lämmastikuga seotud mõistatus näitab, kui palju lahtisi küsimusi veel selgitust vajavad. Eelkõige Asdex Upgrade peab järgnevatel aastatel ITERile ja hilisematele suurjaamadele olulisi eeltöid teostama.

    Fusiooniuurijate suurim ülesanne peitub tõrksale plasmale parema magnetpuuri ehitamises. Kõik tavalised tuumasünteesiseadmed kannatavad fusiooniprotsessi juures konstruktsioonist tuleneva nõrkuse all: ioniseeritud gaasilisse vesinikku paisatakse ägedaid vooluimpulsse, mis aitavad luua kuuma plasmat piiravat magnetvälja – samal ajal teevad plasma aga raskesti valitsetavaks.

    «Elektriimpulssidega sunnime plasma otsekui endale ise puuri ehitama,» valgustab Hasinger. «Reaktsioonina sellele märatseb plasma magnetpuuris kui metsloom ja püüab välja murda. Seetõttu peame voolu pidevalt reguleerima.»

    Max Plancki instituudi teadlased plaanivad juba varsti katsetada stabiilsemat fusiooniseadet: IPP välijaamas Greifswaldis, endisel Ida-Saksamaal ehitatakse kuue miljardi krooni eest eksperimentaalset reaktorit Wendelstein 7-X, mis tugineb revolutsiooniliselt teistsugusele konstruktsiooniprintsiibile (nimetusega Stellarator).

    «Me loome siin täpsusmasinat, millist pole kusagil maailmas veel tehtud,» kõneleb projektijuht Thomas Klinger. «Meie reaktorit on küll keerulisem ehitada kui kõiki eelmisi – see-eest on seda aga kergem käitada.»

    Mis on Wendelstein 7-Xi juures erilist: magnetväljapuur luuakse eranditult väliste poolide abil ja plasma jääb kindlalt selle sisse suletuks. See saab võimalikuks tänu kummaliselt keerdus magnetpoolidele, mis üksteise kõrvale asetatuna näevad välja kui dinosauruse selgroog. Alles kõige uuemate superarvutite abil on õnnestunud välja rehkendada moodustise täpne vajalik kuju.

    Igaüks 70 poolist kaalub kuus tonni ja maksab miljon eurot. Ühendatuna tekitavad nad hiiglasliku magnetjõu. Superkruvideta lendaks seade käivitamisel koost. «Ükski detail pole siin tavapärane,» ütleb Klinger.

    Greifswald töökojas mõõdavad tehnikud laseritega, kas reaktsioonikamber vastab täpselt etteantule. Kõik oleneb millimeetrilisest täpsusest. Uhkusega silitab Klinger terasanumat. «Meie keevitajad on tõelised kunstnikud, siin toimetasid nad oma seadmetega nagu sümfoonikud pillidega,» räägib füüsik. «Millega nad siin hakkama on saanud, on omamoodi keevitustehnoloogia Mona Lisa.»

    Kõrvalkojas monteeritakse juba esimesi hiigelmooduleid. Esimene eksperiment peab käivituma viie aasta pärast. Sel päeval lülitatakse esmalt sisse sügavjahutatud magnetid. Ettevaatlikult lasevad ventiilid siis veidi vesinikku vaakumkambrisse. Lõpuks tõstavad mikrolaineseadmed, millel võimsust 10 000 samalaadse köögimasina jagu, plasma kuumuse mitmekordse tähetemperatuurini – ja põrgutuli süttib.

    «Tegelikkuses kulub meil, füüsikutel, liiga kaua, et nii suurt ja keerulist masinavärki ehitada,» ütleb projektijuht Klinger. «Aga kui see meil õnnestub, muudab see maailma. Kujutage ette, mida see tähendaks, kui kolme pudeli veega suudaksime terve pere aastatarbe jagu elektrit toota!»