Tuumaenergeetika

Aatomituumade siseenergia muutmine elektrienergiaks on alates 20. sajandi keskpaigast saanud tavaliseks. Tuumaenergeetika on suur teadus- ja tööstusharu. Kasutuses on palju erineva tuumkütusega reaktoritüüpe, neutronite voogu aeglustatakse ja kontrollitakse mitmel moel ja konstruktsioonilisi lahendusi on samuti palju. Kõige üldisemalt (joonis 2.8.1.) on tegemist soojuselektrijaamaga, kus generaatorite pööritamiseks kasutatav kuum aur saadakse reaktoris tuumareaktsioonil vabaneva soojusega vett keetes.

Joonis 2.8.1. Springfieldi tuumaelektrijaam, kus töötab multifilmitegelane Homer Simpson. Filmijaam ei ole otseselt elust maha joonistatud, aga siit saab hea ettekujutuse tuumajaamade üldisest ehitusest. Suletud ja valvealusel territooriumil paistvas suures majas on juhtimiskesksus ja administratiivruumid. Oranžide tornide eribetoonist katte all peituvad tuumareaktorid. Väiksemates hoonetes seal vahel asuvad elektrijaama generaatorid. Paremas servas on näha liinid, mis seovad tuumajaama elektrivõrguga. Tagaplaanil olevad vee jahutamise tornid, gradiirid, mida tihti seostatakse tuumaenergeetikaga, on tegelikult kasutuses ka soojuselektrijaamades ja paljudes tööstustes, kus jahutamine vajalik. Springfieldi gradiire kaunistavad „aatomi märgid”, Jaapani teadlase Hantaro Nagaoka aatomijoonise järgi, mis pärineb veel planetaarmudeli-eelsest ajast (ptk Aatomimudelite arengust) ja on oma hea väljanägemise tõttu kohati tänapäevani kasutuses.

Tuumareaktor ja tuumkütus

Reaktor on seade, milles toimub tuumareaktsioon, kus seda kontrollitakse ja kust vabanenud soojus viiakse soojuskandjaga välja. Reaktori konstruktsioon, materjalid, kaitsekest ja turvasüsteemid võivad neil harvadel juhtudel, kui midagi valesti läheb, tuumaõnnetuse tagajärgi leevendada või isegi päris ära hoida.

Tuumkütuseks on aineid, mis aatomituumadega toimuvate protsesside, olgu lagunemise või liitumise tulemusena võimaldavad tuumade siseenergiat teisteks energialiikideks muuta. Tihti nimetatakse tuumkütuseks ka valmismaterjale (koos kesta, täiteainete, aeglustajate jm-ga), mis on toodetud tuumareaktorisse paigutamiseks. Kõige tavalisemad tuumkütused on uraan-235 ja plutoonium-239, milles tekib aeglaste neutronite toimel ahelreaktsioon. Uraan-238, mida on looduslikus uraanis kõige rohkem, laguneb kiirete neutronite toimel, ahelreaktsiooni ei teki. Uraan-238 tuumad haaravad neutroneid ja neist saab pärast kahte beetalagunemist (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus ja Manhattani projekt)

tuumkütus plutoonium-239. Kütus pannakse reaktorisse enamasti varrastena, mis olenevalt reaktori tüübist sisaldavad veel struktuurseid materjale, neutronite aeglustajaid või neutronite peegeldajat.

Neutronite aeglustamiseks on reaktoris tuumkütuse hulka või vahele lisatud aineid, mille tuumadega põrkudes kaotavad neutronid kineetilist energiat. Aeglustamine on vajalik, sest kütuse tuumad haaravad ainult aeglasi neutroneid piisavalt suure tõenäosusega, et ahelreaktsioon saaks püsida. Aeglustiks sobivad ained on näiteks süsinik (grafiit), vesi, raske vesi, berüllium. Hea aeglusti ei neela neutroneid ega sisalda neutroneid neelavaid lisandeid. Tuumareaktorite väljatöötamise algusaegadel oli probleeme puhta süsiniku tootmisega, näiteks boorilisandiga grafiit ei sobi reaktorites kasutamiseks. Saksamaa tuumaprogrammi luhtumise üheks põhjuseks Teise maailmasõja ajal oli saadaoleva grafiidi liiga suur boorisisaldus.

Ahelreaktsiooni juhtimiseks kasutatakse kontrollvardaid, mis valmistatakse neutroneid neelavast ainest, põhiliselt kaadmiumist, indiumist ja hõbedast, aga ka paljudest teistest metallidest või ühenditest. Kontrollvardaid reaktoris kütuse vahele pistes või neid sealt välja tõmmates reguleeritakse neutronite arvu ja seekaudu reaktsiooni kulgu. Reaktsiooni saab kontrollida ka reaktorist läbi voolava soojuskandja kaudu, selleks lisatakse sinna booriühendeid.

SCRAM

SCRAM on ahelreaktsiooni peatamine avariiolukorras või teatud sorti avariikahtluse korral. Näiteks Jaapanis on SCRAM-i käivitamine kohustuslik kõigis tuumajaamades maavärina korral ja toimub tavaliselt automaatselt. Nimi pärineb esimeste tuumareaktorite katsetamise aegadest, kui varraste reaktorisse viimist nimetati skrämmimiseks. Hiljem mõeldi välja, et SCRAM-i tähendus võiks olla julgestuse kontrollvarda kirvemees (safety control rod axe man). Kõige esimese tuumareaktori käivitamisel olevat tõesti ühe mehe ülesandeks jäetud hädaolukorrasläbi raiuda köis, millega oli üles riputatud üks lisavarras. See varras oleks kukkunud reaktorisse ja peatanud kontrolli alt väljuva ahelreaktsiooni. Esimest SCRAM-i ei läinud vaja.

Reaktorite tüüpidest ja põlvkondadest

Aastakümnetega on projekteeritud ja läbi proovitud väga palju erineva konstruktsiooni ja mitmete soojuskandjatega reaktoreid. Kõiki variante ei jõua nimetadagi, aga märkimist väärivad järgmised:

  • Survevee reaktorid (PWR - pressurized water reactors), kus tavaline vesi kõrgel rõhul ja temperatuuril kannab soojuse boilerisse. Boilerist saadud aur suunatakse turbiinile. Vesi toimib ka neutronite aeglustajana.
  • Keeva vee reaktorid (BWR - boiling water reactors), kus vesi keeb reaktori sees, tuumkütuse varraste vahel, ja aur suunatakse sealt otse turbiinile. Vesi (täpsemalt iga vesiniku tuum vee molekulis) on neutronite aeglustaja, aga kahjuks ka üsna hea neutronite neelaja. Veega jahutatavas reaktori tuumas peab kasutama rikastatud uraani.
  • Suure võimsusega kanalreaktor (RBMK - pеактор bольшой mощности kанальный - РБМК), Nõukogude Liidus välja töötatud üsna ebatavaline grafiitaeglustiga reaktoritüüp, mida praegu enam ei ehitata. Kolm veel töötavat jaama peaksid reaktorid sulgema 2030. aastaks. Pärast õnnetust Tšernobõlis on käiku lastud ainult üks selline reaktor.
  • Raske vee reaktorid, mis kasutavad neutronite aeglustajana ja osaliselt ka soojuskandjana rasket vett (D2O). Deuteerium on hea aeglustaja ja ei neela neutroneid, seepärast saab raske vee reaktorites kasutada rikastamata uraani. Kanadas on kõigis tuumajaamades CANDU (CANada Deuterium Uranium) raske vee reaktorid, neid on projekteeritud ka teistesse maadesse.
  • Gaasjahutusega reaktorite variandid, mis kõlbavad hästi nii jõujaamadeks kui plutooniumi tootmiseks, töötati välja Ühendkuningriigis ja Ameerika Ühendriikides. Grafiitaeglustaja ja gaasilise soojuskandjaga jaamu arendatakse edasi ja peetakse perspektiivikaks.
  • Sulatatud soolad ja metallid on soojuskandjatena suhteliselt ohutud, neid kasutatakse muuhulgas aatomiallveelaevadel. Sulatatud sooladega reaktoris on võimalik, et soojuskandja on ühtlasi ka kütus.

Tuumareaktorite tehnilist täiustumist, turvalisuse nõudeid, vastavat seadustikku ja rahvusvahelist kontrolli kirjeldatakse reaktorite põlvkondadega:

  • I põlvkonda kuuluvad katseseadmed, prototüübid ja mõned proovireaktorid, mida ärilistel eesmärkidel käiku ei lastudki. Praeguseks on need kõik suletud, mitmeid hoitakse alles tehnikaajaloo mälestistena.
  • II põlvkonnaks on põhiosa praegu töötavaist reaktoreist, mis said valmis aastatel 1965 kuni 1996. Nende jaamade tööeaks oli arvestatud 30 kuni 40 aastat, aga mõned neist on juba ümber ehitatud toimima 50 või 60 aastat ja arvatakse, et osa jaamu võib parandamise ja täiustamisega vastu pidada 80 aastat. Mõned II põlvkonna jaamad on ehitatud isegi pärast 2000. aastat, neis on parandatud turvalisust ja planeeritud, et ilma suurema ümberehituseta töötavad 60 aastat. Neid jaamu loetakse mõnikord põlvkonda II+.
  • III põlvkonna jaamade projekteerimise põhimõtted kujunesid välja 1990-ndateks. Neis uutes jaamades on parandatud kütusetehnoloogiat, on rohkem tähelepanu pööratud passiivturvalisuse meetmetele, vähendatud hooldevajadust ja tõstetud efektiivsust. Ühtlasi on neid jaamu odavam ehitada ja kasulikum pidada. Paljud praegu töötavad ja ehitatavad jaamad kannavad tähiseid III+ ja III++.
  • IV põlvkonna jaamu pole veel ehitatud ja kuigi uurimine käib, pole lootust nendega turule tulla enne 2030. aastat.
  • V põlvkonna tuumajaamade põhimõttelist võimalikkust on arutatud. Kuigi uurimisteemasid oleks, pidurdavad esialgu konkreetsemaid plaane majanduslikud ja turvakaalutlused.

Tuumaenergeetika lugu ja väljavaated

Esimene tuumareaktor käivitati 1942. aastal Chicago ülikoolis Enrico Fermi juhitud töörühma poolt. Algul oli selliste reaktorite loomise eesmärgiks uurida ahelreaktsiooni toimumise tingimusi, juhtimise võimalusi ja toota plutooniumi. 1950-ndate jooksul arendati välja elektrienergia tootmiseks sobivad seadmed ja tuumajaamade arv kasvas kiiresti. 2013. aastaks oli maailmas umbes 435 töötavat tuumelektrijaama, planeeritud koguvõimusega üle 370 GW. Läbi tuumaenergeetika poolsajandi on kõige rohkem jaamu ehitatud Ameerika Ühendriikides, Prantsusmaal, Jaapanis ja Nõukogude Liidus. Ehitamine käib umbes 70 tuumajaamas, mis peaksid lähematel aastatel lisama 65 GW võimsust. Uusi jaamu ehitatakse ja projekteeritakse suuremalt jaolt Venemaal, Hiinas, Indias ja Lõuna-Koreas. Paljud riigid on loobunud uute tuumajaamade planeerimisest ja asunud vanu sulgema.

Tuumaelektrijaamade sulgemise ja ehitamisplaanidest loobumise põhjused on osaliselt majanduslikud. Uraani hind on tõusnud ja ehitusnormid karmistunud, mis teeb kallimaks nii jaamade püstitamise kui ka igapäevase käigushoidmise. Teiselt poolt on igasuguse tuumatehnoloogia kasutamine ühiskondlik ja psühholoogiline probleem, mis tuleneb kahest ohust:

  • On hea, et tuumajaamal ei ole tossavaid korstnaid ja suuri tuhavälju (joonis 2.8.1.). Arvestades jaamade pikka iga, on jäätmeid silmapaistvalt vähe. Vastukaaluna on tuumajäätmete käitlemine, transport ja säilitamine keerukas ning kallis. Jäätmeid ei saa peaaegu üldse uuskasutusse võtta, nad ei muutu ohutuks ka väga pika aja jooksul. Hoidlaid peab kontrollima, valvama ja ümber korraldama sadu, osaliselt isegi tuhandeid aastaid. Mitte keegi ei taha oma maale tuumajäätmete hoiupaika.
  • Elektrijaam on suur ettevõte, mis toimib paljude keerukate seadmete koostöös. Seal töötab palju erinevate väljaõpete ja ülesannetega inimesi. On praktiliselt võimatu, et nii suures süsteemis ei lähe midagi rikki, ei kulu üle piiri, keegi ei tee valeotsust. Nii on see kõigis suurtes tööstusettevõtetes ja tuumajaam ei ole siin erandiks. Eripära on see, et kui mitu õnnetut juhust kokku satuvad, võivad tagajärjed inimestele, jaamale ja kahjuks ka väga laiale ümbrusele olla katastroofilised.
Joonis 2.8.2. Tuumajaamades juhtunud õnnetusi ja kõik ohtlikke kõrvalekaldeid registreeritakse ning reastatakse rahvusvahelise tuuma- ja radioloogiajuhtumite skaala (INES) järgi. Allpool esimest taset registreeritakse nulltaseme juhtumid, millega ei kaasne mingeid turvariske ja isegi nn väljaspool INES-i juhtumeid, mis on tuumajaamade või radioloogiaettevõtete tööga seotud ainult kaudselt.

1957. aastal asutatud Rahvusvaheline Aatomienergia Agentuur (IAEA) on praeguseks seadnud kolm suurt eesmärki:

  • aatomienergia rahumeelse kasutamise edendamine;
  • kontroll tuumatehnoloogiate, -materjalide ja -seadmete kasutamise üle nii palju kui see võimalik on, et vältida edaspidi igasugust sõjalist kasutust;
  • tuumajaamade ohutuse parandamine.

IAEA registreerib ja klassifitseerib tuumajaamades juhtunud õnnetusi. Vastav juhtumite skaala INES, (joonis 2.8.2.) koostati 1989. aastal. Juhtumite kirjeldamine ja hindamine ei ole lihtne, arvesse võetakse juhtumi tulemusel tekkinud radioaktiivse saastumise ulatust, surmajuhtumite arvu, tagajärgede likvideerimise kulusid ja arvatavate keskkonnamõjude ajalist ulatust. INES ei ole täpne teaduslik mõõdupuu, pigem on see vahend juhtumite ja õnnetuste kõige üldisemaks kirjeldamiseks, näiteks suhtlemisel ajakirjandusega. Selle järgi on kirjeldatud ka vanemaid õnnetusjuhtumeid. Kõike kokku võttes on tuumaajastu jooksul (veidi üle poole sajandi) juhtunud umbes 25 raskemat õnnetust. Märgiliste, väga suure ühiskondliku mõjuga sündmustena nimetatakse tavaliselt kolme:

Joonis 2.8.3. 28. märtsil 1979 sulas osaliselt üles Three Mile Islandi jaama reaktori tuum. Keskkonda lekkis väike kogus radioaktiivset gaasi: INES 5. tase. Viis aastat hiljem, kui reaktori (pildil tagumine) kaitsekest lahti võeti, selgus, et vähemalt 62 tonni (45%) reaktori tuumast oli sulanud.

1) Three Mile Islandi (USA) jaama teise reaktori jahutussüsteemi häire ja vee temperatuuri tõusu peale käivitus automaatne väljalülitamine (SCRAM), täpselt nii nagu see on ette nähtud. Üks väljalülitamisel 10 sekundiks avatud kaitseventiilidest ei sulgunud, kuigi kontrollseadmed näitasid, et on sulgunud. Ajaga, mis kulus tekkinud probleemide lahendamiseks, jõudis välja voolata nii palju jahutusvett, et reaktori tuum sulas osaliselt üles. Vigastatud ja endiselt väga kuuma reaktori jahutamine osutus tehniliselt keerukaks. Reaktori konstruktsioon pidi igal juhul vältima radioaktiivsete ainete kaitsekestast välja pääsemist, aga mitme õnnetu juhuse kokkulangemise tõttu jõudis reostunud jahutusvesi siiski abihoones asunud mahutisse ja väike kogus radioaktiivset ainet (põhiliselt gaasilised ksenoon ja krüptoon) lekkis keskkonda. Gaaside keemilise inertsuse ja väikese koguse tõttu ei olnud jaama ümbrusele mõõdetavat mõju, inimesed viga ei saanud. Kaitsekest pidas vastu, sulanud ained välja ei voolanud. Kuu ajaga suudeti reaktori temperatuur viia alla 100 kraadi ja rõhk atmosfääri rõhuga võrdsustada. Juhtumi tagajärgede likvideerimine algas augustis 1979, reaktori kaas avati juba juulis 1984 ja detsembris 1993 loeti tööd ametlikult lõppenuks. Teine reaktor on siiski arvel ajutise tuumajäätmete hoidlana, mida säilitakse ja jälgitakse samas kohas vähemalt kogu jaama sulgemiseni aastal 2034.

Vaatamata sellele, et õnnetus lõppes nö õnnelikult, tekitas see ühiskonnas erakordselt laia vastukaja. Esimest korda tuli ilmsiks, et paari aastakümnega harjumuspäraseks muutunud tuumaenergeetika võib tehniliste rikete, inimlike eksimuste, unustamise ning kommunikatsiooniraskuste tagajärjel muutuda ootamatult ohtlikuks. Üle maailma toimus tuumaenergia kasutamise vastaseid meeleavaldusi, korraldati koosolekuid ja kontserte, kirjutati artikleid ja raamatuid. Protestid olid suunatud jaama omaniku, uurimiskomisjoni, riigi ja ka teadlaste ning inseneride vastu. Paljud inimesed nõudsid ja ka said kompensatsiooni neile tekitatud kahjude, rikutud karjääri ja tervise eest. Sündmus võttis tuumaenergeetika arengul tublisti hoogu maha.

Joonis 2.8.4. 26. aprillil 1986 kuumenes üle, sulas ja plahvatas Tšernobõli tuumajaama (NSVL, Ukraina) neljas reaktor (pildil pärast tulekahjude kustutamist). Väga suur kogus radioaktiivset saastet levis üle Euroopa. 56 inimest hukkus vahetult õnnetuse käigus, tuhandete (täpselt määramata) inimeste tervis sai kahjustatud, jaama ümbrusest evakueeriti üle 300 000 elanikku. INES 7. tase.

2) Tšernobõlis töötas Nõukogude Liidus projekteeritud RBMK tüüpi reaktor, mis oli ebatavaline nii põhimõttelt, konstruktsioonilt kui ka ehitustehniliselt. Selliseid esitati kui nõukogude tuumateaduse ja energeetika suursaavutusi, aga töökindluse, ahelreaktsiooni juhtimise ja avariiolukordade lahendamise probleemid ei olnud tegelikult kuigi kindlalt lahendatud. Suurõnnetus Tšernobõlis sai alguse planeeritud elektrisüsteemi avariilahenduse katse ajal, millega alustati 25. aprillil 1986. Kohaliku elektrivõrgu dispetšeri nõudel lükati katse edasi ja hilisem aeg langes kokku öövahetuse tööletulekuga. Uus vahetus ei olnud elektriinseneride planeeritud katse käiguga kuigi täpselt kursis ja tegi reaktori juhtimisel mitu valeotsust. Päris täpselt ei ole vigade kuhjumise käik ja põhjused teada, sest mitu kontrollruumi töötajat suri kiirituse tagajärjel juba mõne nädala pärast. Katseplaanis ettenähtud reaktori võimsuse vähendamisel tekkis reaktoris lühikese poolestusajaga (ptk Radioaktiivsus ja kiirgus) ksenoon-135, mis on neelab neutroneid ja pärsib sellega ahelreaktsiooni veelgi. Sellist ebastabiilset olukorda nimetavad tuumainsenerid reaktori mürgitumiseks. Võimsus langes väga madalale, aga seda õnnestus käsitsijuhtimisega siiski veidi tõsta ja enam-vähem stabiliseerida. Vaatamata reaktori kahtlasele käitumisele ja liiga väiksele võimsusele jätkati ettevalmistusi katseks. Tervelt kümne minuti jooksul ei tehtud välja mitmetest juhtimissüsteemi alarmidest. 26. aprillil kell 1.23.04 katse algaski. Mürgitunud reaktor, mis töötas madalamal võimsusel, kui katsetingimused ette kirjutasid, käitus ebatavaliselt ja juhtimisarvuti jätkas alarmeerimist.

Kell 1.23.40 vajutas keegi avariisulgemise nuppu ja käivitas SCRAM-i, mis ei olnud kohane ja läks täiesti valesti. Reaktori võimsus tõusis kiiresti kümme korda suuremaks maksimaalsest projekteeritud võimsusest. Tekkis väga palju ülikuuma auru, mis sai esimese plahvatuse põhjuseks. Teine, palju võimsam plahvatus toimus kolme sekundi pärast. Teise plahvatuse põhjus ei ole teada. Võimalik, et ka siin oli tegemist auruga. Kütusevarraste tsirkooniumkatte, grafiidi, kuuma veeauru ja õhuhapniku reageerimisel võis tekkida vesiniku ja vingugaasi segu, mis on samuti väga plahvatusohtlik. Radioaktiivse reostuse uurimise järgi on arvutatud, et mingi osa sulanud reaktori tuumast võis plahvatada nagu ebaõnnestunud tuumapomm, umbes 10-tonnise trotüüliekvivalendiga. Igal juhul oli just teine plahvatus see, mis purustas reaktori ja seda ümbritsenud hoone. Kütuse ja aeglusti laialipaiskamine peatas ahelreaktsiooni, aga süütas ümbruses mitu tulekahju. Reaktori varemed hõõgusid punaselt, grafiit ja ehitusmaterjalid põlesid lahtise leegiga. Õhku tõusis enneolematu radioaktiivse tolmu ja gaasi pilv, mis saastas ümbruskonda ja levis üle paljude Euroopa riikide. Hilisemad mõõtmised on näidanud, et kõige hävitavama reostuse osaliseks said reaktori lähima ümbruse kõrval mõned Valgevene piirkonnad.

Katastroofi sügavamad põhjused on jäänud igikestva vaidluse teemaks. Nõukogude Liidu juhtkond viivitas õnnetusest teatamisega ja püüdis mitmeti tulemusi pisemana näidata. Algul suunati kõik põhimõttelised süüdistused tuumajaama töötajate vastu. Ei saa eitada, et juhtimisruumis tehti vigu ja tagantjärele võiks operaatoritele õpetada, kuidas õnnetust ära hoida. Hiljem on siiski selgunud, et RBMK tüüpi seadmetel oli olulisi puudusi, reaktor oli halvasti projekteeritud ja ehitatud ning mitu muude riikide tuumareaktorites täiesti tavalist turvalahendust oli üldse rakendamata. Tuumatehnoloogia salastamine ja energeetika juhtimine ideoloogilisel alusel tegi võimatuks vigadest õppimise.

Tšernobõli katastroofi tagajärgede likvideerimisele kaasati sõjavägi, suure töö tegi ära kordusõppuste ettekäändel kogutud reserv. Päästetöödeks ei oldud valmis ja kõik osutus väga keeruliseks. Teha oli palju: ümbruskonnast pidi elanikud teadmata ajaks evakueerima (üritades seejuures paanikat vältida), tulekahju tuli summutada, reaktori varemed oli vaja kinni katta ja pikaajaliseks säilitamiseks ette valmistada, sulanud reaktorituumast tekkinud „laava” pinnasesse jõudmist pidi iga hinna eest vältima (seejuures ei olnud teada, mis reaktorihoone alumistes ruumides toimub), ümber plahvatanud reaktori vedelev surmavalt radioaktiivne praht (kütuse, aeglusti ja reaktori tükid) oli vaja kokku korjata, saastunud alad, tehnika, seadmed jm vajasid puhastamist, valvamist ning kontrollimist, suur inimvägi tuli majutada ja toita jpm. Pingelises olukorras oli palju segadust, infosulgu ja probleeme, aga suures osas olid tehtud otsused siiski õiged.

Kolm terveksjäänud reaktorit pandi mõneks ajaks seisma, aga kuna elektrienergiat oli hädasti vaja, käivitati juba samal aastal uuesti. Lõplikult suleti Tšernobõli elektrijaam 2000. aastal. Õnnetuse tekitatud kahjud ja päästetööde kulud on kokku liidetud, aga täit selgust neis siiski ei ole. Jaama lahtivõtmine ja suletud tsooni valvamine tekitab Ukraina riigile jätkuvalt (tõenäoliselt vähemalt 300 aasta jooksul) suuri kulusid.

Joonis 2.8.5. 11. märtsil 2011, tugeva maavärina järel tabas Fukushima Daiichi (Jaapan) elektrijaama erakordselt kõrge tsunami. Elektrivarustuse katkemine põhjustas ülekuumenemise, kütuse sulamise ja mitu plahvatust, millest osa jäid infosajandile omaselt ümberkaudsete kaamerate vaatevälja. 2013. aastaks ei ole veel täit selgust õnnetuse tagajärgede ja kulude kohta. INES 7. tase.

3) Fukushima tuumajaamas on kuus erineva vanusega ja mitmelt tootjalt pärit keeva vee reaktorit. 2011. aasta ülitugeva maavärina ajal olid neist kolm erinevatel põhjustel suletud. Kolm töötavat reaktorit lülitusid maavärina peale automaatselt välja, nagu Jaapani seadused nõuavad. SCRAM-i alustamisega samal ajal käivitusid avariigeneraatorid, varustamaks energiaga juhtimisseadmeid ja jahutussüsteeme. Sarnase varugeneraatorite süsteemi katsetamine toimus ühel õnnetul ööl umbes 25 aastat varem Tšernobõlis. Fukushima jaamas läks kõik plaanipäraselt, kuni maavärina tekitatud hiidlaine 50 minuti pärast rannikule jõudis. Elektrijaam oli kaitstud 5,7-meetrise veetõusu eest, aga seekordne tsunami tõusis ligi 14 meetri kõrgusele. Elektrivarustus katkes, peaaegu kõik diiselgeneraatorid jäid seisma, kütusepaagid uhuti minema, elektrooniliselt juhitav ülerõhu kontroll lülitus välja. Osa seadmetest jäi siiski töökorda. Jahutussüsteemis oli võimalik kasutada aurupumpi ja lülitada elektroonikat patareitoitele. Hiljem on selgunud, et pingelistes oludes ei jätkunud jaama töötajatel piisavalt tähelepanu kõigi oluliste kohtade jaoks. Vaja oli korraga tegeleda nii elektrivarustuse taastamise, reaktorite jahutamise kui ka kasutatud kütusevarraste jahutusbasseinidega. Probleemid hakkasid kuhjuma ja kui akutoitel lisapumbad seisma jäid, tõusis temperatuur nii kõrgele, et kütusevarraste tsirkooniumkate reageeris kuuma veega ning tekkinud vesinik plahvatas mitmes kohas.

Õnnetusjuhtumi tulemusena pääses keskkonda suur kogus radioaktiivseid aineid, mille täpne kogus ei ole teada. 2013. aasta lõpuks ei ole selge, millal radioaktiivse vee leke Vaiksesse ookeani lõpeb. Juhtumi uurimine tuletas meelde mitmeid Fukushimaga seotud muresid varasemast ajast. Päevavalgele tuli fakte 60-ndate ja 70-ndate aastate turvalisuse kontrolliga seotud dokumentide võltsimisest. Selgus, et jahutussüsteemi katsetamistes oli vahet peetud 11 ja mõnes kohas isegi 40 aastat. 2008. aastal nõuti kontrolli tulemusena kohest tsunamitõkke täiustamist, arvestades veetaseme tõusuga 10,2 meetrit. Kompanii juhtkond ei pidanud soovitust tõsiseks, sest nii kõrge laine tundus ebareaalne.
Seekord reageeris maailm tuumaõnnetusele üsna tagasihoidliku protestiga, aga siiski võeti valitsuste tasandil vastu otsuseid vähendada tuumaenergeetika osatähtsust. Saksamaal on otsustatud kõik tuumajaamad sulgeda aastaks 2022. Itaalias, Šveitsis ja Belgias on toimunud referendumid, väga suur protsent elanikkonnast pooldab tuumaenergeetikast loobumist. Prantsusmaal on otsustatud töötavate jaamade arvu oluliselt vähendada. Mitmetes Aasia riikides on uute jaamade projekteerimine lõpetatud.

Enrico Fermi (1901-1954)

Enrico Fermi (1901-1954)

Itaalia füüsik Enrico Fermi oli samavõrra tugev nii teoreetiku kui eksperimentaatorina. Tema juhtimisel tehti rida ahelreaktsiooni uurimise katseid, arvutati ja planeeriti esimene töötav tuumareaktor.

Fermi oli pärit Roomast. Ta asus pärast kooli lõpetamist õppima Pisa ülikooli, lõpetas selle hiilgavalt, reisis Euroopas, kus kohtus paljude oma aja füüsikateoreetikutega. Juba 24-aastaselt sai ta Sapienza ülikooli professoriks Roomas. See oli üks esimesi teoreetilise füüsika professuure Itaalias. Fermi juhitud noorte teadlaste rühm sai peagi kuulsaks kui Via Panisperna poisid. Need poisid avastasidki aeglaste neutronite toime, avastus, mis viis lõpuks tuumareaktorite ja aatompommide ehitamiseni.

1938. aastal otsustas diktaator Mussolini Hitleri Saksamaad järgides alustada juudivastase kampaaniaga. Fermi oli Mussolini juures heas kirjas, ta nimetati teaduste akadeemia liikmeks ja kuulus isegi parteisse. Fermi ei olnud juut, aga tema naine oli ja see tegi kogu perekonna elu Roomas keeruliseks. Samal aastal sai ta Nobeli preemia uute, neutronkiirguse toimel tekkivate elementide ja aeglaste neutronite toimel toimuvate tuumareaktsioonide avastamise eest. Pärast preemia kättesaamist Stockholmis sõitis Fermi kohe koos perega Ameerika Ühendriikidesse. Ta oli juba varem salajase kirjavahetusega otsinud töökohta Ameerikas ja valis nüüd viiest pakkumisest Kolumbia ülikooli. Sel ajal oli ta ilmselt neutronite alal maailma parim spetsialist ja seepärast oli väikeseks pettumuseks, et uraani tuumade lagunemise tõestus ja seletus tuli hoopis Saksamaalt. Teise maailmasõja ajal ei olnud itaallastel Ameerikas kuigi kerge, aga Fermi isikuomadused ja eriline anne võimaldasid tal ometi kaasa lüüa olulistes teadusprojektides. 1944. aastal sai ta USA kodakondsuse.

Fermi oli arvatavasti esimene teadlane, kes juhtis tähelepanu Einsteini valemis E = mc2 peituvale tuumade siseenergia vihjele. 1923. aastal kirjutas ta: „Vähemalt lähemas tulevikus ei tundu võimalik, et leitakse tee selle kohutava energiakoguse vabastamiseks ja nii ongi hea. Selle hirmuäratava energiaga plahvatuse esimene tulemus oleks teha pihuks ja põrmuks füüsik, kellel on piisavalt ebaõnne see tee leida.”

2. detsembril 1942. aastal oli Fermi juhitud töörühm Chicago ülikooli vana staadioni tribüünialuses ruumis valmis käivitama tuumareaktorit Chicago Pile-1. Reaktori kütus oli uraanitablettides, neutroneid aeglustas grafiit, kontrollvardad tehti kaadmiumist, indiumist ja hõbedast. Kogu seade meenutas puidust ja mustadest tellistest kuhjatud hunnikut (inglise keeles: pile - kuhi). Kiirguskaitset ja jahutust ei olnud. Reaktor pidi tulema umbes kerakujuline, aga Fermi arvutas ehituse ajal välja, et ahelreaktsiooni käivitamiseks pole vaja kogu materjali kokku laduda. Erakordne läbimõeldus, põhjalikkus ja piinlikult täpsed arvutused olid omased paljudele tema katsetele. See oli ka üheks põhjuseks, et reaktoriga julgeti katsetada rahvarohkes südalinnas. Iseeneslik ahelreaktsioon saavutati kell 15.25 ja reaktor töötas esimesel korral 28 minutit. Hiljem võeti kogu seade koost lahti ja viidi linnast välja. Praegu on see maetud koos mõne teise Manhattani projekti reaktori varemetega Red Gate Woodsi, Chicago linnalähedasse metsa.

Pärast sõja lõppu pöördus Fermi tagasi õppetöö ja teadusliku uurimise juurde. Ta tegeles osakestefüüsika ja kosmilise kiirgusega. Vesinikupommi projekti suhtes oli ta kriitiline, aga nagu paljud teadlased, osales selles siiski konsultandina, tehes mitmeid olulisi arvutusi.

Fermi suri 54. eluaastal pärast maovähi operatsiooni. Kahjuks ei jõudnud ta kirjutada planeeritud tuumafüüsika õpikut.

Kokkuvõtteks

Tuumaenergeetikast

Tuumaenergeetikat on arendatud alates 20. sajandi keskpaigast. Kuigi tuumajaamad tekitavad vähe jäätmeid, on nende käitlemine ja hoidmine keeruline ja murettekitav probleem. Tuumajaamade või -hoidlate avariid on küll harvad, aga kahjuks võivad mõjud olla katastroofiliselt suured.

Küsimused

Millised äpardused tuumajaamades on mõjutanud inimeste suhtumist tuumaenergeetikasse (peale nende, mida on kirjeldatud selles peatükis)?
Millised rahvusvahelised organisatsioonid tegelevad tuumaenergeetika ja tuumarelvastuse piiramise ja kontrolliga?
Lisamaterjalid