Teame, et kõik aatomid koosnevad prootonitest, neutronitest ja elektronidest. Aatomituum koosneb prootonitest ja neutronitest, aatomituuma moodustavaid osakesi nimetatakse kokku ka nukleonideks. 

Kuidas kajastub aatomite tuuma ehitus perioodilisustabelis?

Erinevate elementide aatomid erinevad üksteisest prootonite arvu poolest. Prootonite arvu aatomituumas näitab aatomnumber.

Aatomnumbrit nimetatakse ka elemendi järjekorranumbriks ehk laenguarvuks ning tähistatakse tähega Z. Ühe ja sama elemendi aatomitel on alati sama aatomnumber.

Kuna aatom tervikuna on neutraalne, siis peab elektronide arv aatomis olema võrdne prootonite arvuga.

Aatomi massi kirjeldab selle massiarv. Massiarvu määravad ära prootonite ja neutronite arv. Kuna elektroni mass on väga väike, siis seda aatomi massi arvutamisel ei arvestada. Massiarvu tähis on A. 

Perioodilisustabelist näeme, et kloori aatomnumber on 17, mis tähendab seda, et kloori aatomi tuumas on 17 prootonit. Kloori aatommassiks perioodilisustabelis on märgitud 35,45.

Aatommassi kohta oleme keemias õppinud, et see on ühe aatomi mass aatommassiühikutes ja ligikaudu võrdne massiarvuga. Arvutustes kasutasime ümardatud aatommassi ja see näitab prootonite ja neutronite arvu.

Kuidas on võimalik, et aatommass ei ole täisarv? Ei ole ju võimalik, et meil on klooris 17 prootonit ning 35,45 –17 = 18,45 neutronit!

Kloor perioodilisustabelis.	Kloori isotoopide jaotus looduses.

Samal elemendil on olemas erineva aatommassiga aatomeid. Klooril on olemas aatomid, milles on 17 prootonit ning 18 neutronit, seega aatommass on 35 (³⁵Cl) ning samas esineb ka aatomeid, milles on 17 prootonit ning 20 neutronit, ehk aatommass on 37 (³⁷Cl). 

Aatomeid, milles on sama arv prootoneid, kuid erinev arv neutroneid, nimetatakse isotoopideks.

Keemilise elemendi aatommass on selle elemendi looduses esinevate isotoopide aatommasside kaalutud keskmine. Kaalutud keskmine tähendab siin seda, et kui näiteks kloor-35 isotoopi esineks looduses täpselt kolm korda rohkem, kui kloor-37 isotoopi, siis võetaks seda keskmistamisel arvesse kolmekordselt:

Kasutades täpsemaid arve saame

Ühe elemendi kõigil isotoopidel on samad keemilised omadused, kuna keemilised omadused ei ole seotud neutronite arvuga. 

Keemiast on sulle kindlasti tuttav keemilise reaktsiooni mõiste. Keemilise reaktsiooni tulemusena tekivad ühtedest ainetest teised ained. Uued ained võivad tekkida kahe aine ühinemisel, näiteks vesiniku ja hapniku molekulide ühinemisel tekib vesi. Või siis tekivad uued ained ühe aine lagunemisel: näiteks laguneb paekivi kuumutamisel süsihappegaasiks ja kaltsiumoksiidiks. Kõikide keemiliste reaktsioonide korral toimuvad muutused aatomite elektronkihtides, aatomituum ei muutu.

Sajandeid tagasi püüdsid alkeemikud valmistada kulda odavatest ainetest. Tänapäeval me teame, et kuld on lihtaine ning keemiliste reaktsioonide tulemusena ei ole võimalik valmistada kulda lähtudes teistest lihtainetest. Kulla valmistamiseks teistest lihtainetest peaksid toimuma muutused aatomituumas. Sellised aatomituuma muutused on võimalikud, kuid nende jaoks on vaja palju energiat.

Tuumareaktsiooniks nimetatakse reaktsioone aatomituumade või aatomituumade ja osakeste vahel, mille tulemusena tekivad uued aatomituumad. 

Esimese tõelise tuumareaktsiooni suutis teha Ernest Rutherford 1919. aastal. Ta pommitas lämmastiku aatomeid $\alpha$-osakestega (heeliumi aatomituumad), mille tulemusena tekkis hapnik ning eraldus prooton. Valemina saab selle tuumareaktsiooni kirja panna nii:

Tuumareaktsiooni võrrandis on siin vasakul poolel levinuim lämmastiku isotoop $\frac{14}{7}N$, mis ühinemisel $\alpha$-osakesega (heeliumi tuumaga $\frac{4}{2}He$) muutub stabiilseks hapniku isotoobiks $\frac{17}{8}O$, mida looduslikus hapnikus on ainult 0,04%. Eraldub prooton ehk vesiniku tuum, mille tekke järgi reaktsioon tegelikult avastati.

Seda katset peetakse tuumafüüsika alguseks. 

Sada aastat aatomituuma avastamisest

Inglise teadusajakirja Philosophical Magazine 1911. aasta mainumbris ilmus Ernest Rutherfordi artikkel „Alfa- ja beetaosakeste hajumine aines ja aatomi ehitus" (The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom). Selle kirjatöö ilmumist võib tinglikult pidada aatomifüüsika, ühtlasi tuumafüüsika sünnidaatumiks.

Aatomituumi hoiab koos tuumajõud. Tuuma osakesteks jagamiseks oleks vaja kulutada teatud energiakogus – seda nimetatakse seoseenergiaks. Kui tuum saaks üksikutest osakestest moodustuda, siis eralduks sama energia. Seoseenergia näitab seda, kui palju tööd me peame tegema, et lahutada aatomituum nukleonideks ning vastupidises protsessis, kui palju energiat eraldub, kui aatomituum nukleonidest moodustada.

Tuumaenergia, mis vabaneb tuumareaktsioonides ja mida saab kasutada tuumajaamas või mida me tunneme päikeseenergiana, on osa tuumaosakeste seoseenergiast. 

Tuumade seoseenergiad on erinevad, sest tuumad on erineva suurusega. Kui jagada kogu tuuma seoseenergia nukleonide arvuga, saame eriseoseenergia – seoseenergia ühe tuumaosakese kohta, mis on samuti tuumati erinev. Tavalise vesiniku tuumas on üks prooton, sellel tuumal seoseenergiat pole. Kui tuumas on osakesi rohkem, näiteks vesiniku rasked isotoobid deuteerium $\frac{2}{1}H$, triitium $\frac{3}{1}H$ ja heeliumi kerge isotoop $\frac{3}{2}He$, siis on tuumal ka seoseenergia. Ootamatult suure eriseoseenergiaga on tavaline heeliumi tuum.

Arvutus on lihtne – liida kokku aatomituumade seoseenergia enne ja pärast tuumareaktsiooni. Kui seoseenergia enne tuumareaktsiooni on väiksem, siis reaktsioonis vabaneb energia. Kui seoseenergia  enne tuumareaktsiooni on suurem, siis on vaja reaktsiooni toimumiseks energiat juurde anda.

Kõige suurem eriseoseenergia on raua tuumadel. Rauast suurema massiarvuga elementide tuumade eriseoseenergia on madalam kui raual. Järelikult uraan-238 tuuma lõhustumisel erinevateks nn kildtuumadeks vabaneb energia. 

Tuumareaktsioonidest võimalik saada energiat kas kergete tuumade ühinemisel või siis raskete tuumade lõhustumisel. 

1896. aastal avastas prantsuse füüsik Henri Becquerel, et musta paberisse mähitud uraanisoola tükk jättis jälje fotoplaadile. Kuna fotoplaadid reageerivad valgusele ja läbi musta paberi see ei tungi, siis järelikult pidi uraanisool kiirgama senitundmatut kiirgust, mis paberist läbi tungis.

Juba mõned aastad pärast Becquereli avastust selgus, et on olemas erinevat liiki ioniseerivat kiirgust. Täna teame, et on olemas $\alpha$-kiirgus, $\beta$-kiirgus ja $\gamma$-kiirgus. Lisaks nendele loetakse ioniseerivaks kiirguseks ka röntgenikiirgust ja neutronkiirgust.

Kõiki neid kiirguseid nimetatakse ioniseerivateks kiirgusteks, kuna seda moodustavate osakeste või valguskvantide energiad on sedavõrd suured, et suudavad aatomitest ja molekulidest elektrone välja lüüa ning lõhkuda keemilisi sidemeid.

Ioniseeriv kiirgus tekib aatomituumade muundumisel – tuumareaktsioonides ja aatomituumade iseeneslikul lagunemisel. Tuumade iseeneslikku ehk spontaanset lagumenist nimetatakse radioaktiivsuseks. Radioaktiivsus on looduses levinud nähtus ning looduslik kiirgus ümbritseb meid kõikjal. Ioniseeriv kiirgus tekib ka kergete tuumade ühinemisel ja raskete tuumade lõhustumisel.

Ioniseeriva kiirguse mõju hindamiseks peaksime ka teadma energiaid, mis on tarvilikud erinevate keemiliste sidemete lõhkumiseks. Selgub, et need energiad on vahemikus 1,5 - 9 eV (vt Lisa 9.1.5). Ioniseeriva kiirguse osakeste energiaid on ka hea võrrelda meid ümbritseva valguse osakeste energiaga. Nähtava piirkonna valguse footonite energiad ulatuvad kuni 3 elektronvoldini ja atmosfäärist pääsevad läbi ka 4 eV footonid (UVA).

Vaatame nüüd lähemalt erinevat liiki ioniseerivaid kiirguseid.

Alfakiirguse ($\alpha$-kiirgus) moodustavad positiivse laenguga heeliumi aatomi tuumad, mis tekivad raskete tuumade radioaktiivsel lagunemisel. Kuna alfaosake koosneb kahest neutronist ning kahest prootonist, siis on ta suhteliselt suur ja massiivne ning tema levikaugus õhus on vaid 1-2 cm. Juba paksem paberileht takistab $\alpha$-kiirguse levikut. $\alpha$-kiirgus on ohtlik, kui sellise kiirguse allikas satub inimese kehasse kas söömise või hingamise teel, kuna siis kahjustab $\alpha$-kiirgus kudesid. Alfaosakeste kineetiline energia on ca 5 MeV.

Beetakiirgus ($\beta$-kiirgus) on elektronide või nende antiosakeste, positronide voog. Beetaosake tekib aatomituuma radioaktiivsel lagunemisel. Beetaosakesed on alfaosakestest tunduvalt väiksemad, mistõttu levib see kergesti läbi paberi. $\beta$-kiirgus neeldub plastikus või metallikihis täielikult. Tavaliselt ei tungi $\beta$-kiirgus naha pealispinnast sügavamale, kuid siiski võib pikem kokkupuude põhjustada nahal põletusi. Beetaosakesed on ohtlikud, kui nad satuvad inimese organismi, kuna nad kahjustavad siis meie kudesid ja rakke. Beetakiirguse elektronide kineetilised energiad on ca 0,5 keV.

Gammakiirguse ($\gamma$-kiirgus) moodustavad väga kõrge energiaga footonid, mis eralduvad ebastabiilsete aatomituumade lagunemisel. Enamasti esineb $\gamma$-kiirgus koos alfa- või beetakiirgusega. $\gamma$-kiirguse läbimisvõime on väga suur, ta läbib isegi mõne sentimeetri paksuse terasplaadi. Kuna $\gamma$-kiirguse läbimisvõime on väga suur, siis kahjustab ta inimest ka siis, kui ta organismi otseselt ei satu. Gammakiirguse footonite energiad on vahemikus mõnest keV kuni ca 8 MeV-ni.

Röntgenkiirguse moodustavad kõrge energiaga footonid (sarnased $\gamma$-kiirgusega), mida kutsutakse esile kunstlikult elektronkiire järsu pidurdamisega. Röntgenkiirgus on samamoodi suure läbimisvõimega ning ilma kaitseta kahjustab inimest. Röntgenkiirguse footonite energiad on vahemikus 100 eV kuni 100 keV.

Neutronkiirguse moodustavad neutronid, mis eralduvad ebastabiilsete tuumade lagunemisel või tuumareaktsioonides (nii raskete tuumade lõhustumisel kui kergete tuumade ühinemisel). Neutronid on elektriliselt neutraalsed ja seetõttu väga suure läbimisvõimega. Kokkupuutes teiste ainetega võivad nad aatomituumades neelduda, mille tulemusena muutub tuum ühe neutroni võrra raskemaks. Tekkinud uus aatomituum on tihtipeale ebastabiilne ja kiirgab ioniseerivat kiirgust. Tuumaplahvatustes vabanevate neutronite kineetiline energia on ca 2MeV.

Energia hulka, mille ioniseeriv kiirgus annab üle aine – näiteks inimkoe massiühikule, kutsutakse neeldunud doosiks. Seda väljendatakse ühikuga grei (sümbol Gy), kus üks grei võrdub ühe džauliga kilogrammi kohta. Sageli kasutatakse grei alamjaotusi nagu milligrei (mGy), mis on üks tuhandik greid. 

Ioniseeriva kiirguse liigid erinevad orgaanilistele ainetele avaldatava toime alusel, nii et võrdsed neeldunud doosid, mille all mõeldakse võrdset hulka üleantud energiat, ei tarvitse avaldada samasugust bioloogilist mõju. Näiteks alfakiirguse 1 Gy mõju koele on kahjulikum kui beetakiirguse 1 Gy mõju, sest aeglasem ja suurema laenguga alfaosake kaotab liikudes rohkem energiat, kuna tal on raskem kudet läbida. Niisiis on erinevat tüüpi ioniseeriva kiirguse potentsiaalse kahjulikkuse samal alusel võrdlemiseks vaja muud mõõtu. Selleks sobib ekvivalentdoos, mille ühik on siivert (sümbol Sv).  

Kui soovime arvestada ka seda, et näiteks pahaloomulise kasvaja tekkimise risk ekvivalentdoosi ühiku kohta on kilpnäärme puhul madalam kui kopsu puhul, siis peame sisse tooma veel ühe suuruse – efektiivdoosi.

Füüsikalist suurust, millega mõõdetakse ioniseeriva kiirguse võimalikku kahjulikkust eluskudedele, nimetatakse efektiivdoosiks. Selle mõõtühikuks on sievert, tähistusega Sv. 

Sageli kasutatakse siiverti kordseid nagu millisiivert ehk mSv, mis on üks tuhandik siivertit.

Maksimaalsed aastased efektiivdoosid on määratud kiirgusseaduses, ulatudes erinevatel ametialadel töötavate inimeste lõikes kuuest 50 millisiivertini.

Kui grei sai oma nime inglise füüsiku Harold Gray järgi, siis siivert on saanud nimetuse rootsi füüsiku Rolf Sieverti järgi.

Rolf Maximilian Sievert ja kiirguskaitse

Rolf Maximilian Sievert oli üks väga oluline inimene kiirguskaitse rajamisel ja kiirguse kasutamisel maailmas, kes tegutses 20. sajandi esimeses pooles.

Inimkond on õppinud ioniseeriva kiirguse allikaid tootma ning samuti ka ohutult kasutama. Ioniseeriva kiirguse allikaid kasutatakse tänapäeval laialdaselt tööstuses, meditsiinis ja teadusuuringutes.

Umbes 20% elanikkonna aastasest efektiivdoosist pärineb tehislikest allikatest. Tehislike allikatega tegelevate töötajate keskmine aastane efektiivdoos kogu maailmas on 0,6 mSv.

Kiiritusravi

Vähk on geneetilistest mutatsioonidest tingitud haigus, mida põhjustavad normaalsete keharakkude asemel tekkivad pahaloomulised kasvajarakud ehk vähirakud. Kuidas toimub vähi kiiritusravi?

Muide, mitte igasugune neutronkiirgus ei ole ioniseeriv. Kui kiireid neutroneid aeglustada, siis saadakse nn soojuslikud neutronid, mille energiad on ca 0,025 eV ja mis järelikult ei suuda keemilisi sidemeid lõhkuda või elektrone aatomitest välja lüüa. Selliste neutronallikatega on võimalik näha palju sügavamale ja teravamalt, kui röntgenkiirgusega.

Euroopa Neutronkiirguse Allikas

Neutronkiirgusega saab uurida üliväikeses mõõtkavas ainete ehitust. Neutronkiirguse allikad, mis sobivad taoliseks pildistamiseks, hõlmavad tihti terve jalgpalliväljaku suuruse ala. Aastaks 2025 ehitatakse Rootsi maailma kõige võimsam neutronkiirguse allikas.

Ioniseeriv kiirgus ning selle allikad on lahutamatu osa meie elus. Igapäevaselt elame koos kosmilise kiirgusega ja pinnases leiduvate radioaktiivsete elementidega. Samuti kasutatakse nii hoonete kui ka teede ehitamiseks materjale, mis sisaldavad looduslikke radioaktiivseid elemente. Radioaktiivseid elemente leidub ka meie toidus, joogivees jne. 

Aastane efektiivdoos looduslikest kiirgusallikatest on umbes 2,4 mSv, moodustades ligikaudu 80% aastasest elaniku efektiivdoosist. Looduslike kiirgusallikate põhjustatav doos sõltub suuresti geograafilisest asukohast ning doosi suurused varieeruvad väga palju. Aja jooksul looduslike kiirgusallikate põhjustatud efektiivdoos üldiselt ei muutu.

Peaaegu poole looduslike kiirgusallikate põhjustatud doosist põhjustab radoon. Radoon on keskkonnas esinev loodusliku päritoluga radioaktiivne gaas, mis tekib uraani radioaktiivse lagunemise tulemusena. Uraani ning tema isotoope leidub erinevates pinnastes ning kivimites. Radoon on värvitu, lõhnatu, maitsetu ja keemiliselt inertne. Oma gaasilise oleku tõttu on radoon võimeline liikuma oma tekkekohast maapinnas näiteks atmosfääri või siis hoonete siseõhku. Siseruumidesse jõuab maapinnast pärinev radoon peamiselt põranda või vundamendi pragude ning avade kaudu, näiteks  torustiku või juhtmete jaoks tehtud aukudest. Radoon liigub eelkõige koos õhuvooluga. Tavaliselt on rõhk hoonetes madalam kui väljas ja see soodustab radooni liikumist hoonetesse. Osa radoonist atmosfääri ei jõua ja jääb pinnasesse, samas võib see lahustuda ka põhjavette.

Plastdosimeetria

Dosimeetrilised materjalid on ained, milles erinevad kiirgusliigid (UV-, nähtav-, infrapuna-, alfa-, beeta-, gamma-, röntgeni-, neutronkiirgus) kutsuvad esile akumuleeruvaid füüsikalisi või keemilisi muutusi.

Kosmiline kiirgus tuleb avakosmosest. See on segu footonitest ja väga suure energiaga prootonitest, $\alpha$-osakestest, elektronidest ja teistest elementaarosakestest.

Kosmilise kiirguse osakeste energia on väga suur, ulatudes gigaelektronvoltidest 10²⁰ eV-ni. Suurim seni registreeritud osake registreeriti 15. oktoobril 1991. aastal Utah Ülikoolis ja selle energia oli ligikaudu 3·10²⁰ eV. Džaulideks ümber arvutatuna tähendab see, et osakese kineetiline energia oli sama suur, kui 94 km/h liikuval 142 grammi kaaluval pesapalli pallil, 40 miljonit korda suurem, kui on saadud võimsaimas maapealses osakeste kiirendis LHC (osakesele anti ka nimi - Oh-My-God osake).

Kui kosmilise kiirguse osakesed põrkuvad Maa atmosfääri osakestega vallandub terve protsesside kaskaad, kus osakesed muunduvad põrgetel üksteiseks. Tulemuseks on see, et algne suure energiaga osake kaob, aga asemele tekib hulk väiksema energiaga osakesi. Maapinnale jõuavad peamiselt müüoniteks kutsutavad osakesed ja elektronid, mõningal määral ka neutronid, positronid (veel üks liik osakesi) ja footonid (kiirgus). Valdav osa maapinnal saadavast doosist tuleb müüonitest ja elektronidest.

Gammakiirguse sähvatused - surmaoht tsivilisatsiooni kohal 

Aastakümneid peeti supernoovasid kõige „äkilisemateks“ suure võimsusega astronoomiliste sündmuste seas ning enamik astronoome ei näinud vist uneski, et kusagil palju hullemaid plahvatusi ette tuleb. 

Omaette põnev teema on avakosmoses esinev ioniseeriv kiirgus. Näiteks Kuule lendamisel on vaja kuidagi mööda pääseda Van Alleni kiirgusvöötmetest, kus Päikeselt tulevad suure energiaga osakesed aeglustuvad Maa magnetväljas ning kiirgavad tugevalt ioniseerivat kiirgust. On välja arvutatud, et lennul Marsile saavad kosmonaudid efektiivdoosi, mis on ligikaudu 500-kordne keskmine efektiivdoos Maal.

Maa magnetväli mõjutab Päikeselt maani jõudvate laetud osakeste liikumist. Kosmoselaevade liikumisel tuleb arvestada, millistes piirkondades on kosmiline kiirgus tugevam, millistes nõrgem. Van Alleni kiirgusvöönditesse on parem mitte sattuda.	Efektiivdoosid erinevates situatsioonides Maal ja kosmoses.

Päike saab oma energia tuumareaktsioonidest. Päikese sisemuses, kus on väga kõrge temperatuur (rohkem kui 15 miljonit kraadi) ja rõhk, ühinevad vesiniku aatomid ning tekib heelium. 

Väga kõrgel temperatuuril toimuvaid kergete tuumade ühinemisreaktsioone nimetatakse termotuumareaktsioonideks ehk tuumasünteesiks. 

Heeliumi aatomi seoseenergia ühe nukleoni kohta on 2,57 MeV. Kui kaks vesiniku aatomi tuuma termotuumareaktsioonis ühinevad, moodustades heeliumi aatomi tuuma, siis osa sellest energiast vabaneb.

Termotuumareaktsioon oleks inimkonnale praktiliselt piiramatuks energiaallikaks. Maapealsetes tingimustes võimalikest termotuumareaktsioonidest toimub kõige madalamal temperatuuril kahe vesiniku isotoobi, deuteeriumi (D) ja triitiumi (T) tuumade liitumisreaktsioon, mille tulemusena tekib heeliumi aatomi tuum (alfakiirgus) ja neutron:

Tekkiva heeliumi tuuma kineetiline energia on 3,54 MeV ja ülejäänu omandab neutron. 

Termotuumareaktsioonidel põhinevat energiaallikat on üritatud ehitada juba rohkem kui 40 aastat. See on väga keerukas ülesanne, sest termotuumareaktsioonide käivitumiseks on tarvilik ülikõrge temperatuur, millele ei pea vastu ükski materjal. Tõsine väljakutse on ka juba käivitunud reaktsiooni kontrollimine.

Reaktoris inimese poolt kontrollitud kiirusel toimuvat termotuumareaktsiooni nimetatakse juhitavaks termotuumareaktsiooniks.

Euroopas, Lõuna-Prantsusmaal ehitatakse 35 riigi koostöös termotuumareaktorit, mille nimi on ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Termotuumareaktsioonis tekkiva plasma seadme seintest eemal hoidmiseks kasutatakse seal magnetvälja. 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. 

ITER ja teised

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

Ameerika Ühendriikidel on oma projekt kontrollitud termotuumareaktsiooni saavutamiseks, National Ignition Factory ehk NIF. Seal kasutatakse n-ö väikese päikese loomiseks sellist retsepti:

• Võtke õõnes, sfääriline, plastikust, umbes 2 mm läbimõõduga kapsel.
• Täitke kapsel 150 mikrogrammi deuteeriumi ja triitiumi seguga.
• Võtke laser, mis suudab tekitada 20 miljardikuks sekundiks 500 triljoni (triljon = miljon miljonit) vatise valgusimpulsi.
• Fokusseerige sellise laseri valgus oma kapslile.
• Oodake 10 miljardikku sekundit.
• Tekib miniatuurne päike.

Selles protsessis surutakse deuteeriumi-triitiumi kütus 100 korda suurema tiheduseni, kui see on tinal ja soojendatakse see 100 miljoni kraadini – see on palju soojem, kui Päikese keskel. Just selliseid tingimusi on vaja termotuumareaktsiooni käivitamiseks.

Tekkinud miniatuurne täht võiks toota 100 korda rohkem energiat, kui läks vaja selle süütamiseks.

NIF saavutas oma suurima võimsuse 2012. aastal. Termotuumareaktsiooni käivitada ei õnnestunud. Täna kasutatakse seadet põhiliselt materjaliteaduse uuringuteks.

Väga paljude raskete elementide aatomituumad on ebastabiilsed. Lisaks sellele, et nad lagunevad iseeneslikult, saab raskete tuumadega läbi viia tuumareaktsioone, mille käigus tuum lõhustub mitmeks väiksemaks aatomituumaks.

Näiteks kui uraani isotoop (²³⁵U) neelab ühe neutroni, siis ta laguneb baariumiks (¹⁴¹Ba) ja krüptooniks (⁹²Kr) ning eraldub kolm neutronit.

Kujutame nüüd ette, et ²³⁵U tükki pommitatakse neutroniga ja üks aatom laguneb. Iga sellises reaktsioonis eraldunud neutron võib esile kutsuda järgmise tuuma lagunemise. Kuna neutroneid eraldub lagunemise käigus rohkem, kui algselt neeldus, siis võib  toimuda ahelreaktsioon, kus igas järgnevas etapis osaleb järjest suurem arv tuumasid. 

Tuumapommis leiabki aset uraani lagunemine ahelreaktsioonina, mis toimub sekundi murdosa jooksul. Nagu iga tuumareaktsiooniga kaasneb ka tuumapommi plahvatusega ioniseeriv kiirgus. Plahvatuse toimumise piirkond jääb väga pikaks ajaks radioaktiivselt saastatuks.

Väike kogus uraani isotoopi ei plahvata ahelreaktsioonina, kuigi seal toimuvad pidevalt uraanituumade lagunemised. Põhjus on selles, et kõik tekkinud neutronid ei tekita järgmise uraani tuuma lagunemist, kuna osad neutronid neelduvad keskkonnas või siis lendavad ainest välja.

Ahelreaktsioon käivitub, kui aine kogus ületab nn kriitilise massi – see tagab, et uusi lagunemisi põhjustavaid neutroneid tekib piisavalt. ²³⁵U jaoks on kriitiline mass 50 kg, kui uraan aga ümbritseda neutroneid peegeldava ümbrisega, siis piisab 250 grammist.

Aatomielektrijaama südameks on tuumareaktor. Tuumareaktor on seade, milles on võimalik läbi viia kontrollitud tuumareaktsiooni. Tuumareaktsiooni kontrollimiseks kasutatakse vardaid, mis neelavad ahelreaktsiooni käigus tekkivaid neutroneid. Seeläbi väheneb ajaühikus lagunevate tuumade arv.

Aatomielektrijaamas kasutatakse tuumareaktsiooni soojusenergia tekitamiseks. Tekkinud soojusenergia soojendab vett, tekkinud kõrge rõhu all olev aur paneb tööle elektrigeneraatori. Põhimõtteliselt toimub elektritootmine aatomielektrijaamas samamoodi nagu soojuselektrijaamades (nt Narvas asub soojuselektrijaam), ainuke erinevus seisneb sellest, et soojust saadakse tuumareaktoris toimuvast tuumareaktsioonist. 

Kõige levinumates tuumareaktorites kasutatakse kütusena uraani või plutooniumi isotoope.  Kuna tuumareaktsioonis tekib alati ioniseerivat kiirgust, peab reaktor olema ise varjestatud. Tuumaelektrijaamade projekteerimisel, ehitamisel ja käitamisel järgitakse väga rangeid ohutusreegleid.

Aatomielektrijaamad ei saasta küll töötamise ajal otseselt keskkonda, kuid probleemiks on radioaktiivsed jäätmed - uraani lagunemisel tekkinud tuumad on samuti radioaktiivsed.

Tuumkütuse vardad. Niimoodi pannakse tuumajaama jaoks kütusevardaid kokku.	Tuumajäätmete hoidla.