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.
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:
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.
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.
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.
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.