Nüüd, kui me oleme tutvunud tuumade mõningate omadustega, võime vaatluse alla võtta füüsika ja teatud inseneriteaduse suurprobleemi: kas tuumaaine võib saada kasulikuks energiaallikaks, nagu tuhandeid aastaid on inimestele olnud energiaallikaks põletusmaterjalid, näiteks puit ja kivisüsi?

Me juba teame, et vastus on jaatav, kuid energiaallikate nende kahe tüübi vahel on väga suured erinevused. Puidu ja kivisöe põletamisel saame energiat sellest, et süsiniku ja hapniku aatomite väliseid elektrone korraldatakse ümber stabiilsematesse kombinatsioonidesse. Kui tuumareaktoris saame energiat uraanist, siis põletame samuti kütust, kuid nüüd on tegemist uraani tuumaga, mille nukleone korraldatakse ümber stabiilsematesse kombinatsioonidesse.

Elektrone hoitakse aatomis kinni elektromagnetilise Coulomb’i jõuga ja on vaja ainult mõni elektronvolt, et ühte neist välja tõmmata. Seevastu hoiab nukleone tuumas kinni tugev tuumajõud ja kulub mitu miljonit elektronvolti, et ühte nendest välja tõmmata. Sellest miljonikordsest erinevusest tuleneb, et me saame kilogrammist uraanist mitu miljonit korda rohkem energiat kui kilogrammist kivisöest.

Nii aatomi- kui ka tuumapõlemisel kaasneb energia vabanemisega massi vähenemine vastavalt valemile $Q=-\Delta m{c}^2$. Uraani ja kivisöe põletamise peamine erinevus on see, et esimesena mainitud juhul tarvitatakse ära palju suurem (ka siin miljoneid kordi suurem) osa olemasolevast massist.

Erilaadsed protsessid, mida saab kasutada aatomi- ja tuumapõlemisel, tagavad erisuguse võimsuse ehk energia vabanemise kiiruse. Tuuma puhul võime põletada kilogrammi uraani plahvatuslikult tuumapommis või aeglaselt elektrijaama reaktoris. Aatomi puhul võime jälgida dünamiidi plahvatust või moosipiruka seedimist.

Tabel 43-1 näitab, kui palju energiat võib vabaneda $1kg$ ainest erinevatel viisidel. Energia ei ole tabelis esitatud otseselt, vaid ajavahemikuna, mille jooksul saaks eraldunud energia abil hoida põlemas $100W$ elektripirni. Ainult tabeli esimeses kolmes reas toodud protsessid on tegelikult teostatavad; ülejäänud kolm esitavad teoreetilisi piirväärtusi, mis tegelikkuses pole saavutatavad. Alumine rida, kogu aine ja antiaine vastastikune annihileerumine, on energia tootmise ülempiir. Selles protsessis muutub kogu massienergia teisteks energiavormideks.

Tabelis 43-1 esitatud kõrvutused on arvutatud massiühiku kohta. Ühest kilogrammist uraanist saame mitmeid miljoneid korda rohkem energiat kui kilogrammist kivisöest või langevast veest. Kuid tuleb arvestada ka seda, et maakoores on kivisütt väga palju ja vett tammi taha varuda saab üsna hõlpsasti.

Inglise füüsik James Chadwick avastas 1932. aastal neutroni. Mõned aastad hiljem Roomas leidis Enrico Fermi, et kui pommitada mitmesuguseid elemente neutronitega, siis tekivad uued radioaktiivsed elemendid. Fermi ennustas, et ilma elektrilaenguta neutron võiks olla tuumade pommitamiseks kasulik osake, sest erinevalt prootonist või alfaosakesest ei mõju sellele tuuma pinnale lähenemisel tõukav Coulomb’i jõud. Tuumauuringutel on kasulikeks pommitavateks osakesteks isegi soojuslikud neutronid, mis on toatemperatuuril ümbritseva ainega soojuslikus tasakaalus olevad aeglaselt liikuvad neutronid kineetilise energiaga vaid umbes $0,04\text{eV}$.

1930ndate lõpupoole pommitasid füüsik Lise Meitner ja keemikud Otto Hahn ning Fritz Strassman, kes töötasid Berliinis ja järgisid Fermi ja tema kaastöötajate töid, uraanisoola lahuseid selliste soojuslike neutronitega. Nad leidsid, et pärast pommitamist oli tekkinud hulk uusi radionukliide. 1939. aastal tehti korduvate katsetega täiesti kindlaks, et üheks sel viisil saadud radionukliidiks on baarium. Hahn ja Strassmann panid imeks, kuidas sai see keskmise massiga element ($Z=56$) tekkida uraani ($Z=92$) pommitamisel neutronitega.

Mõistatuse lahendasid mõni nädal hiljem Meitner ja tema vennapoeg Otto Frisch. Nad pakkusid välja mehhanismi, mille puhul uraanituum võib pärast soojusliku neutroni neelamist energiat vabastades lõhustuda ligikaudu võrdseteks osadeks, milledest üks oleks baarium. Frisch nimetas selle protsessi tuuma lõhustumiseks.

Meitneri keskne roll tuuma lõhustumise avastamisel ei olnud avalikkusele eriti teada, kuid hiljutised ajaloouuringud on selle päevavalgele toonud. Ta ei jaganud Nobeli keemiaauhinda Otto Hahniga, kes sai selle 1944. aastal. Meitnerit on hiljem tunnustatud sellega, et üks element nimetati tema järgi meitneeriumiks (sümbol $\text{Mt}$, $Z=109$).

Täpsem vaade tuuma lõhustumisele

Joonis 43-1 näitab ${}^{235}\text{U}$ soojuslike neutronitega pommitamisel tekkinud fragmentide jaotust massiarvu järgi. Kõige tõenäosemad massiarvud, mida esineb umbes $7\%$ juhtudest, on keskendunud väärtuste $A\approx 95$ ja $A\approx 140$ ümber. Kummalisel kombel ei ole joonise 43-1 kahetipulisus siiani seletust saanud.

Tüüpiline lõhustumisahel algab soojusliku neutroni neelamisega ${}^{235}\text{U}$ poolt (seda protsessi nimetatakse ka neutronihaardeks), mille tulemusena tekib tugevalt ergastatud olekus ${}^{236}\text{U}$. Viimane on see tuum, mis tegelikult lõhustub kaheks fragmendiks. Need fragmendid kiirgavad ühisel jõul kiiresti kaks neutronit, jättes järele (tüüpilisel juhul) fragmendid ${}^{140}\text{Xe}$ ($Z=54$) ja ${}^{94}\text{Sr}$ ($Z=38$). Seega on astmelise lõhustumise käik siin selline:

(43-1)

${}^{235}\text{U}+n{\to }^{236}\text{U}{\to }^{140}\text{Xe}{+}^{94}\text{Sr}+2n$

Paneme tähele, et vahetuuma ehk liittuuma moodustumisel ja lagunemisel on protsessis osalevate prootonite ja neutronite arv konstantne (jääv on ka nende koguarv ja kogulaeng).

Valemis 43-1 on fragmendid ${}^{140}\text{Xe}$ ja ${}^{94}\text{Sr}$ tugevalt ebastabiilsed, need teevad läbi beetalagunemisi (neutroni muutumise prootoniks ja elektroni ning neutriino kiirgamise), kuni jõuavad stabiilse lõpp-produktini. Ksenooni lagunemisahel on

43-2

	${}^{140}\text{Xe}\to$	${}^{140}\text{Cs}\to$	${}^{140}\text{Ba}\to$	${}^{140}\text{La}\to$	${}^{140}\text{Ce}$
$T_{1/2}$	14 s	64 s	13 päeva	40 tundi	stabiilne
Z	54	55	56	57	58

Strontsiumi jaoks on see

43-3

	${}^{94}\text{Sr}\to$	${}^{94}\text{Y}\to$	${}^{94}\text{Zr}$
$T_{1/2}$	75 s	19 min	stabiilne
Z	38	39	40

Nagu punktis 42-6 kirjeldatu alusel võib oodata, jäävad massiarvud ($140$ ja $94$) nendes beetalagunemise reaktsioonides muutumatuteks ja aatomnumbrid (algselt $54$ ja $38$) kasvavad igal astmel ühe võrra.

Joonisel 42-4 esitatud nukliidide diagrammi stabiilsusriba uurides selgub, miks lõhustumisfragmendid ebastabiilsed on. Valemi 43-1 järgi on lõhustumisel tekkinud liittuuma ${}^{236}\text{U}$ koostises $92$ prootonit ja $236-92=144$ neutronit, nii et neutronite ja prootonite suhe on umbes $1,6$. Kohe pärast lõhustumisprotsessi moodustunud esmastel fragmentidel on peaaegu sama neutronite ja prootonite suhe. Keskmise massiga stabiilsete nukliidide vastavad suhted on aga väiksemad, vahemikus $1,3$ kuni $1,4$. Niisiis on esmased fragmendid neutronirikkad ja need viskavad mõned oma neutronid välja, reaktsiooni 43-1 korral kaks neutronit. Järelejäänud fragmentides on ikka liiga palju neutroneid, et olla stabiilsed. Beetalagunemine on moodus neutronite ülejäägist lahtisaamiseks, see muudab neutronid tuuma sees prootoniteks.

Me võime hinnata suure massiga nukliidi lagunemisel vabanenud energiat, kui uurime nukleoni kohta tulevat kogu seoseenergiat $\Delta E_{\text{sen}}$ enne ja pärast lagunemist. Idee järgi saab lagunemine toimuda seepärast, et kogu massienergia väheneb, mille tulemusena $\Delta E_{\text{sen}}$ suureneb, nii et laguproduktid on tihedamini seotud. Seega lõhustumisel vabanenud energia on

$Q=\text{(l}\tilde{\text{o}}\text{pp-produktide kogu seoseenergia)}-\text{(algne seoseenergia)}$

Oletame, et algse suure massiga tuum laguneb kaheks keskmise massiga tuumaks, mõlemad sama arvu nukleonidega. Siis on meil

$Q=\text{(l}\tilde{\text{o}}\text{pp-produktide}\Delta E_{\text{sen}}\text{)(l}\tilde{\text{o}}\text{pp-produktide nukleonide arv)}--\text{(algne}\Delta E_{\text{sen}}\text{)(algne nukleonide arv)}$

Jooniselt 42-6 näeme, et suure massiga nukliidi ($A\approx 240$) seoseenergia nukleoni kohta on umbes $7,6\text{MeV/nukleon}$. Keskmise massiga ($A\approx 120$) nukliidi jaoks on see umbes $8,5\text{MeV/nukleon}$. Seega suure massiga nukliidi lõhustumisel kaheks keskmise massiga nukliidiks vabaneb energia

$Q=(8,5\frac{\text{MeV}}{\text{nukleon}})\left(2\text{nukliidi}\right)\left(120\frac{\text{nukleoni}}{\text{tuum}}\right)-(7,6\frac{\text{nukleoni}}{\text{tuum}})\left(240\text{nukleoni}\right)\approx 200\text{MeV}$

Varsti pärast tuuma lõhustumise avastamist seletasid Niels Bohr ja John Wheeler tuuma peamisi omadusi kollektiivmudeli abil, mis põhineb tuuma ja laetud vedeliku tilga vahelisel analoogial. Joonis 43-2 esitab lõhustumisprotsessi lähtudes sellest vaatenurgast. Kui suure massiga tuum (näiteks ${}^{235}\text{U}$) neelab aeglase (soojusliku) neutroni nagu joonisel 43-2a, siis langeb see neutron potentsiaaliauku, mis kaasneb tuumas toimivate tugevate tuumajõududega. Neutroni potentsiaalne energia muutub nüüd tuuma sisemiseks kineetiliseks energiaks, nagu seda näitab joonis 43-2b. Aeglase neutroni poolt tuuma toodud ergastusenergia on võrdne neutroni seoseenergiaga $E_n$ selles tuumas ja see on võrdne neutronihaardest tingitud neutroni-nukliidi süsteemi massienergia muutusega.

Joonised 43-2c ja d näitavad tuuma käitumist, mis on sarnane energiliselt võnkuva laetud vedeliku tilgaga: siin kujuneb varem või hiljem välja lühike „kael“ ja siis hakkab tilk lagunema kaheks laetud „keraks“. Kui nendevaheline elektrilinetõukejõud on kerade teineteisest eemale lükkamiseks ja kaela purustamiseks piisav, siis lendavad need kaks fragmenti laiali ja kumbki saab järelejäänud energiast teatud osa (joonised 43-2e ja f). Lõhustumine on toimunud.

See mudel andis lõhustumisprotsessist hea kvalitatiivse pildi. Vastust jäi aga ootama raske küsimus: miks mõned suure massiga nukliidid (näiteks ${}^{235}\text{U}$ ja ${}^{23p}\text{P}u$) on valmis lagunema soojuslike neutronite toimel, aga teised niisama massiivsed nukliidid (näiteks ${}^{238}\text{U}$ ja${}^{234}\text{Am}$) ei ole? Bohr ja Wheeler oskasid vastata ka sellele küsimusele. Graafik joonisel 43-3 kujutab lõhustuva tuuma potentsiaalset energiat lõhustumisprotsessi eri etappidel.

See energia sõltub deformatsiooniparameetrist $r$, mis jämedas lähenduses näitab, kuivõrd erineb võnkuva tuuma kuju kerast. Joonis 43-2d näitab, kuidas seda parameetrit määratleda just enne lõhustumist. Kui fragmendid on teineteisest juba kaugel, siis on $r$ lihtsalt kaugus nende keskpunktide vahel.

Joonisel 43-3 on märgitud ka lõhustuva tuuma algseisundi ($r=0$) ja lõppseisundi ($r=\infty$) energiate erinevus (ehk lagunemisenergia $Q$). Selle graafiku juures on oluline, et potentsiaalse energia kõver läbib maksimumi parameetri $r$ kindla väärtuse juures. Seega on selles kohas potentsiaalibarjäär kõrgusega $E_b$, mille peab ületama (või läbi tunneleeruma), enne kui lõhustumine saab toimuda. See protsess meenutab alfalagunemist (joonis 42-9), mis on samuti potentsiaalibarjääriga takistatud.

Me näeme, et lõhustumine toimub ainult siis, kui neelatud neutron toob kaasa ergastava energia $E_n$, mis on barjääri ületamiseks piisav. See energia $E_n$ ei pea olema nii suur kui barjääri kõrgus $E_b$ ainult tänu kvantfüüsika tunnelefekti olemasolule.

Tabel 43-2 lubab nelja suure massiga nukliidi korral kontrollida, kas soojusliku neutroni neelamine võib põhjustada lõhustumist. Iga nukliidi jaoks näitab tabel potentsiaalibarjääri kõrgust $E_b$ tuumas, mis tekkis neutronihaardel, ja neutronihaardel saadud ergastusenergiat $E_n$. Barjääri $E_b$ väärtused on arvutatud Bohri ja Wheeleri teooriast lähtudes ja $E_n$ väärtused on arvutatud massienergia muutusest neutronihaardel.

Ergastusenergia $E_n$ arvutamise näitena vaatame tabeli esimest rida, mis kujutab neutronihaaret

Siin ${}^{235}\text{U}$ mass on $235,043922\text{u}$, neutroni $n$ mass $1,008665\text{u}$ ja ${}^{236}\text{U}$ mass $236,045562\text{u}$. On kerge näidata, et neutronihaarde tulemusena väheneb mass $7,025\times {10}^{-3}\text{u}$ võrra. Seega muundub massienergia ergastusenergiaks $E_n$. Massi muutuse korrutamine teguriga $c^2(=931,494013\text{MeV/u})$ annab $E_n=6,5\text{MeV}$, nagu näidatud tabeli esimeses reas.

Tabeli esimese ja kolmanda rea tulemused on ajalooliselt tähenduslikud, sest need on aluseks kahele aatomipommile, mida kasutati Teises maailmasõjas (esimene pomm sisaldas ${}^{235}\text{U}$ ja teine ${}^{239}\text{Pu}$). Nii ${}^{235}\text{U}$ kui ka ${}^{239}\text{Pu}$ puhul on $E_n>E_b$. See tähendab seda, et nende nukliidide korral võib ennustada tuuma lõhustumist soojusliku neutroni haaramise järel. Tabeli 43-2 kahe teise nukliidi korral (${}^{238}\text{U}$ ja ${}^{243}\text{Am}$) on $E_n<E_b$; sel juhul ei saa soojuslikust neutronist nii palju energiat, et ergastatud tuum suudaks ületada barjääri või toimuks tunneleerumine. Lõhustumise asemel kaotab tuum ergastusenergiat gammafootoni kiirgamise teel.

Nukliidid ${}^{238}\text{U}$ ja ${}^{243}\text{Am}$ saab siiski panna lõhustuma, kui need neelavad soojuslikust neutronist oluliselt suurema energiaga neutroni. Näiteks võiks ${}^{238}\text{U}$ tuum lõhustuda, kui see juhtuks neelama vähemalt $1,3\text{MeV}$ neutroni niinimetatud kiires lõhustumispotsessis ("kiire," sest neutron on kiire).

Kaks Teises maailmasõjas kasutatud aatomipommid sõltusid soojuslike neutronite võimest tekitada paljude suure massiga nukliidide peaaegu üheaegne lõhustumine pommi sees, nii et lõhustumise tulemusel toimub plahvatus ja laastav energiapurse. Esimeses pommis kasutati isotoopi ${}^{235}\text{U}$, sest seda oli uraanimaagist juba piisaval hulgal välja puhastatud – sellest jätkus nii katsepommi kui ka sõjas kasutatud pommi tegemiseks. (Uraanimaak sisaldab peamiselt ${}^{238}\text{U}$, mis soojuslike neutronite toimel ei lõhustu). Kui tuli tellimus valmistada kiiresti ka teine pomm, aga ${}^{235}\text{U}$ oli juba otsas, siis kasutati uues pommis ${}^{239}\text{Pu}$. See põhines ainult teoreetilistel arvutustel, nagu need on kokku võetud tabelis 43-2.

Tuumade lõhustumisel vabaneb palju energiat, üks lõhustumisakt käivitab järgmised, mistõttu see protsess levib läbi kogu tuumakütuse, nagu tuleleek süütab puuhalud. Asjaolu, et lõhustumisel tekib rohkem neutroneid kui neid tarvitatakse, suurendab ahelreaktsiooni võimalikkust, mille puhul iga tekkinud neutron päästab võimaluse korral valla uue lõhustumise. See reaktsioon võib olla kas kiire (nagu tuumapommis) või juhitud (nagu tuumareaktoris).

Oletame, et on vaja projekteerida reaktor, mis põhineb isotoobi ${}^{235}\text{U}$ lõhustumisel soojuslike neutronite toimel. Looduslik uraan sisaldab $0,7\%$ seda isotoopi, ülejäänud $99,3\%$ on ${}^{238}\text{U}$, mis ei ole soojuslike neutronite abil lõhustatav. Rikastame tehislikult uraanikütust nii, et see sisaldab umbes $3\%$ isotoopi ${}^{235}\text{U}$. Kuid töötava reaktori tegemiseks tuleb lahendada veel kolm probleemi:

1. Neutronite lekkimise probleem. Mõned lõhustumisel tekkinud neutronid lekivad reaktorist välja, mistõttu need ei osale ahelreaktsioonis. Et leke toimub pinnalt, on selle suurus võrdeline reaktori lineaarmõõtmete teise astmega (kui serva pikkus on $a$, siis kuubi pindala on $6a^2$). Neutronid tekivad kogu tuumakütuse ruumalas ja nende arv on võrdeline reaktori lineaarmõõtmete kuubiga (sama kuubi ruumala on $a^3$). Me saame teha lekkimise tõttu kaduma minevate neutronite osa nii väikeseks kui soovime, kui teeme reaktori südamiku küllalt suureks ja vähendame niimoodi pindala-ruumala suhet (kuubi korral on see $6/a$).
2. Neutroni energia probleem. Lõhustumisel tekkinud neutronid on kiired, nende kineetiline energia on umbes $2\text{MeV}$. Lõhustumise kutsuvad kõige efektiivsemalt esile aga soojuslikud neutronid. Kiireid neutroneid saab aeglustada, kui segada uraanikütusesse ainet, mida kutsutakse aeglustiks. Aeglustil peab olema kaks omadust: omadus efektiivselt aeglustada neutroneid elastsete põrgete kaudu ja omadus neutroneid mitte neelata, et need ei langeks lõhustumise ahelreaktsioonist välja. Enamik energiareaktoreid Põhja-Ameerikas kasutavad aeglustajana vett; vesinikutuumad (prootonid) vees on heaks aeglustavaks materjaliks. Me nägime 9. peatükis, et kui liikuv osake põrkab paigaloleva osakesega otsejoones kokku, siis kaotab see kogu oma kineetilise energia juhul, kui kahel põrkunud osakesel on võrdsed massid. Prootonid on efektiivsed aeglustajad seepärast, et neil on peaaegu sama mass kui kiiretel neutronitel, mida on tarvis pidurdada.
3. Neutronihaarde probleem. Selleks, et lõhustumisel genereeritud kiired neutronid ($2\text{MeV}$) kaotaksid aeglustis kiiruse ja muutuksid soojuslikeks neutroniteks energiaga umbes $0,04\text{eV}$, peavad need läbima kriitilise energiavahemiku ($1$ kuni $1000\text{eV}$), milles need on eriti vastuvõtlikud lõhustumisvabale haardele ${}^{238}\text{U}$ tuumade poolt. Selline resonantshaare, milles kiiratakse vaid gammafootoneid, kõrvaldab neutronid lõhustumisahelast. Lõhustumiseta haarde minimeerimiseks ei valmistata uraanikütusest ja aeglustist mitte ühtlast segu, vaid need paigutatakse reaktori erinevatesse piirkondadesse.

Kolmas energiaplokk Tšernobõlis (Kiievi lähedal). See plokk suleti aastal 2000, aastaid pärast 1986. aasta tulekahju ja plahvatust neljandas plokis, mille tagajärjel paiskusid õhku lenduvad radionukliidid. (©AP/Wide World Photos)	Tööst eemaldatud reaktori korpus, mida valmistatakse ette Hanfordi tuumajäätmehoidlasse viimiseks Washingtoni osariigis Richlandi lähedal. (©AP/Wide World Photos)

Tüüpilises reaktoris asub uraanikütus uraanioksiidi kuulikestega täidetud pikkades õõnsates metalltorudes. Vedel aeglusti ümbritseb neid kütusevarraste kimpe, mis moodustavad reaktori südamiku. Niisugune geomeetriline paigutus suurendab võimalust, et kütusevardas tekkinud kiire neutron läbib kriitilise energiavahemiku parajasti siis, kui see asub aeglustis. Olgugi, et juba soojusliku energiaga võib neutron ikka saada haaratud viisil, mis ei tekita lõhustumist (seda kutsutakse soojuslikuks haardeks). Tõenäosem on aga, et soojuslik neutron satub tagasi kütusevardasse ja tekitab lõhustumisakti.

Joonis 43-4 näitab neutronite tasakaalu tüüpilises reaktoris, mis töötab konstantse võimsusega. Jälgime näiteks $1000$ soojusliku neutroni kogumit reaktori südamikus ühe täieliku tsükli ehk põlvkonna jooksul. Need tekitavad ${}^{235}U$ kütuse lõhustamisel $1330$ neutronit ja kiirel lõhustamisel ${}^{238}U$ tuumades $40$ neutronit, kokku seega algsest $1000$ neutronist $370$ neutroni võrra rohkem ja need kõik on kiired neutronid. Kui reaktor töötab konstantsel võimsusel, siis kaob täpselt sama arv neutroneid ($370$) südamikust lekkimise teel või lõhustumist mitte tekitava soojusliku haarde ehk parasiithaarde tulemusena, jättes $1000$ soojuslikku neutronit alustama järgmist põlvkonda. Igaüks lõhustumisel tekkinud $370$ neutronist annab selles tsüklis reaktori südamikule muidugi lisaenergiat, mis südamikku kuumutab.

Kordistustegur $k$ on reaktori tähtis parameeter, see väljendab vaatlusaluse põlvkonna lõppemisel saadud neutronite arvu ja selle põlvkonna alguses olnud neutronite arvu suhet. Joonisel 43-4 on kordistustegur $1000/1000$ ehk täpselt üks. Kui $k=1$, siis öeldakse, et reaktor töötab täpselt kriitilises režiimis, mis on just see, mida soovitakse stabiilse võimsusega protsessi puhul. Tegelikult konstrueeritakse reaktorid aga nii, et need oleksid algselt superkriitilised ($k>1$) ja siis reguleeritakse kordistustegur kriitilise väärtuseni ($k=1$), pannes reaktori südamikku kontrollvardad. Neid vardaid, mis tavaliselt sisaldavad neutroneid hästi neelavat kaadmiumi, saab lasta reaktoris sügavamale, mis vähendab võimsust, ja tõsta ülespoole, et võimsust jälle suurendada. Kontrollvarraste abil saab ka kompenseerida pidevalt töötava reaktori kalduvust muutuda aja jooksul alakriitiliseks (neutroneid neelavate) laguproduktide kogunemise tõttu.

Kui üks kontrollvarras kiiresti välja tõmmata, siis kui ruttu kasvaks reaktori võimsus? See reaktsiooniaeg on määratud huvitava asjaoluga, et väike osa lõhustumisel genereeritud neutronitest ei välju lõhustunud fragmentidest mitte otsekohe, vaid kiiratakse pisut hiljem, kui fragmentides toimub beetalagunemine. Näiteks joonisel 43-4 näidatud $370$ „uue“ neutroni hulgast võib $16$ hilineda, olles kiiratud järgnevates beetalagunemistes, mille poolestusaeg on $0,2$ kuni $55$ sekundit. Selliseid hilinenud neutroneid on arvuliselt vähe, kuid neil on oluline ülesanne pikendada reaktori reaktsiooniaega nii, et see sobiks mehaanikaseadmete reaktsiooniaegadega.

Joonisel 43-5 on esitatud elektrijaama skeem, mis põhineb Põhja-Ameerikas laialt kasutusel oleval surveveereaktoril (ingl pressurized-water reactor, PWR). Sellises reaktoris kasutatakse vett nii aeglustaja kui ka soojusvahetina. Primaarkontuuris ringleb vesi läbi reaktori ja kannab energiat kõrgel temperatuuril ja rõhul (võimalik on $600K$ ja $150$ atmosfääri) reaktori kuumast südamikust aurugeneraatorisse, mis on osa sekundaarkontuurist. Aurugeneraatoris tekib kõrgrõhu all aur ja see paneb tööle turbiini, mis ajab ringi elektrigeneraatorit. Sekundaarkontuuri teises pooles jahutatakse turbiinist tulev madalal rõhul olevat auru nii palju, et see kondenseerub veeks, mis pumbatakse tagasi aurugeneraatorisse. Et anda aimu mõõtmetest mainime, et tüüpilise reaktori korpus $1000MW$ elektrijaamas võib olla $12m$ kõrge ja kaaluda $4MN$. Vesi voolab läbi primaarkontuuri kiirusega umbes $1Ml/min$.

Reaktori töö paratamatu eripära on radioaktiivsete jäätmete kogunemine; need sisaldavad nii tuumalagunemise produkte kui ka raskeid transuraanideks nimetatavaid nukliide, nagu näiteks plutooniumi ja ameriitsiumi. Üks viis iseloomustada nende radioaktiivsust on näidata, mil määral need vabastavad energiat soojusena. Joonisel 43-6 on tüüpilise suure tuumajaama aastase töö järel tekkinud jäätmete soojusliku võimsuse kahanemine ajas. Paneme tähele, et mõlemad teljed on logaritmilised. Enamik tuumareaktori „ära tarvitatud“ kütusevardaid hoitakse kohapeal vee all. Reaktori jäätmete püsiva ja kaitstud ladustamise probleem pole veel lahendatud. Suur hulk pommidest pärinevaid radioaktiivseid jäätmeid, mis on kogunenud Teise maailmasõja ajal ja ka järgnevatel aastatel, on ikka veel tekkimiskohtades ladustatud. Radioaktiivsed jäätmed ja saastatud komponendid ei kao iseenesest – need jäävad meile murekoormaks ka kauges tulevikus.

1942. aasta 2. detsembril oli Enrico Fermil ja tema kaastöötajatel täielik alus uskuda, et nende poolt tööle pandud reaktor (joonis 43-7) on esimene tuumade lõhustumisel töötav reaktor meie planeedil. Umbes $30$ aastat hiljem avastati, et kui nad tõesti nii mõtlesid, siis olid nad tegelikult eksiteel.

Hiljuti Lääne-Aafrikas Gabonis kaevamistöödel leitud uraanimaagist ilmnes, et umbes kaks miljardit aastat tagasi asus seal arvatavasti looduslik tuumade lõhustumisel põhinev reaktor, mis oli töötanud mõned sajad tuhanded aastad. Kas see tegelikult sai juhtuda, saame otsustada, kui vaagime kahte küsimust:

1. Kas seal oli piisavalt kütust? Uraani lõhustumisele tugineva reaktori kütus peab olema kergelt lagunev isotoop ${}^{235}U$, mis moodustab looduslikust uraanist ainult $0,72\%$. See väärtus on mõõdetud nii maapealsetes proovides kui ka Kuu kivimites ja meteoriitides ning kõigil juhtudel on isotoobisisaldus ühesugune. Eespool mainitud avastusele Lääne-Aafrikas viitas uraani isotoobi ${}^{235}U$ defitsiit selles maagis; mõnes proovis oli isotoobisisaldus isegi vaid $0,44\%$. Uurimine viis oletusele, et ${}^{235}U$ defitsiidi põhjuseks võis olla uraani isotoobi ${}^{235}U$ osaline kulutamine neil kaugetel aegadel töötanud tuumade lõhustumisel põhinevas looduslikus tuumareaktoris.

Tõsiseks probleemiks jääb aga asjaolu, et ainult $0,72\%$ isotoobisisaldusega reaktorit saab ehitada (nagu oli Fermile ja tema meeskonnale selge) ainult pärast hoolikat konstrueerimistööd ja pöörates ülitäpset tähelepanu kõigile detailidele. Tundub, et tuumareaktori „looduslik“ käivitumine pole tõenäone.

Kuid kauges minevikus olid asjaolud teistsugused. Mõlemad isotoobid ${}^{235}U$ ja ${}^{238}U$ on radioaktiivsed, poolestusaegadega vastavalt $7,04\times {10}^8$ aastat ja $44,7\times {10}^8$ aastat. Seega on lõhustumiskõlbuliku ${}^{235}U$ poolestusaeg umbes $6,4$ korda lühem kui isotoobil ${}^{238}U$. Et ${}^{235}U$ laguneb kiiremini, pidi seda minevikus olema suhteliselt rohkem kui isotoopi ${}^{238}U$. Kaks miljardit aastat tagasi ei olnud selle isotoobi osa $0,72\%$ nagu nüüd, vaid $3,8\%$. See on juhtumisi niisama suur, milleni looduslik uraan kunstlikult rikastatakse, et sobida kaasaegsete tuumareaktorite kütuseks.

Lõhustumisvalmi tuumakütuse kättesaadavuse korral (eeldusel, et teatud teised tingimused on täidetud) on loodusliku tuumareaktori olemasolu vähem üllatav. Kütus oli olemas. Kaks miljardit aastat tagasi, muide, olid kõrgeimaks arenenud eluvormiks sinivetikad.

2. Millega seda tõestada? Ainuüksi ${}^{235}U$ vähesus uraanimaagis ei tõesta loodusliku tuumareaktori võimalikkust. See nõuab veenvamaid tõendeid.

Kui seal oli reaktor, siis peavad nüüd olema selles kohas tuumalagunemise jäägid. Umbes $30$ elemendist, mille stabiilsed isotoobid on reaktoris toodetud, peavad mõned siiani alles olema. Nende isotoopide sisalduse uurimine võib meile anda soovitud tõendid.

Mitmetest uuritud elementidest on neodüümi näide tähelepanuväärselt veenev. Joonis 43-8a näitab loodusliku neodüümi seitsme stabiilse isotoobi harilikult leitud sisaldust. Joonis 43-8b näitab isotoobisisaldusi nii, nagu need esinevad ${}^{235}U$ lõhustumise maksimaalselt stabiilsete laguproduktide seas. Selge erinevus ei ole üllatav, kui arvestada nende kahe isotoobirühma erinevat päritolu. Paneme eriti tähele, et lõhustumisproduktides puudub üldse loodusliku elemendi jaoks peamine isotoop ${}^{142}Nd$.

Siit suur küsimus: milline on Lääne-Aafrika uraanimaagist leitud neodüümi isotoobisisaldus? Kui seal tegutses looduslik reaktor, siis loodame leida isotoope mõlemast allikast (nii looduslikke kui ka lõhustumisest tekkinud isotoope). Joonis 43-8c näitab isotoobisisaldusi pärast andmete mõningat teisendamist, mille juures on arvestatud kahte allikat ja muid mõjusid. Jooniste 43-8b ja c võrdlus näitab, et seal töötas tõesti looduslik tuumareaktor.

Asjaolu, et Lääne-Aafrika loodusliku tuumareaktori lõhustumisproduktid pole kahe miljardi aasta jooksul oma tekkimispiirkonnast kaugemale sattunud, võiks toetada ideed radioaktiivsete jääkide pikaajalisest ladustamisest sobivalt valitud geoloogilises keskkonnas.

Joonisel 42-6 esitatud seoseenergia kõver näitab, et energia saab vabaneda, kui kaks kerget tuuma liituvad üheks suuremaks tuumaks, seda protsessi kutsutakse tuumasünteesiks. Liitumist takistab Coulomb’i tõukejõud, mis ei lase kahel positiivselt laetud osakesel jõuda teineteisele piisavalt lähedale, et sattuda külgetõmbavate tuumajõudude leviulatusse ja liituda. Coulomb’i barjääri kõrgus sõltub laengutest ja vastastikmõjus olevate tuumade raadiustest. Näidisülesandes 43-4 selgub, et kahe prootoni ($Z=1$) jaoks on selle barjääri kõrgus $400keV$. Suurema laenguga osakeste jaoks on see barjäär muidugi vastavalt ka kõrgem.

Kasutuskõlblike energiakoguste genereerimiseks peab tuumasüntees toimuma ainetükis. Lootustandvaim viis on aine temperatuuri tõstmine seni, kuni osakestel on küllalt energiat, et soojusliikumine lubaks neil Coulomb’i barjääri läbida. Sellist protsessi kutsutakse termotuumasünteesiks.

Termotuumauuringutes esitatakse temperatuurid vastastikmõjustuvate osakeste kineetilise energia $K$ kaudu seosest

kus $K$ on kineetiline energia, mis vastab vastastikmõjus olevate osakeste kõige tõenäosemale kiirusele, $k$ on Boltzmanni konstant ja temperatuur $T$ on antud kelvinites. Niisiis, selle asemel, et öelda: „Päikese keskmes on temperatuur $1,5\times {10}^{7}K$,“ öeldakse sageli, et: „Päikese keskmes on temperatuur $1,3keV$.“

Toatemperatuurile vastav $K$ on ligikaudu $0,03eV$ ja nii väikese energiaga osakese pole lootustki ületada nii kõrget barjääri nagu seda on $400keV$. Isegi Päikese keskmes, kus $kT=1,3keV$, ei näi termotuumasüntees esimesel pilgul lootustandev. Kuid me teame, et termotuumasüntees Päikese keskosas (südamikus) siiski toimub ja et see on nii Päikese kui ka kõigi teiste tähtede oluliseks tunnuseks.

Mõistatus on lahendatav, kui arvestame kaht asjaolu.

(1) Valemist 43-9 arvutatud energia on kõige tõenäosema kiirusega osakestel, nagu on selgitatud punktis 19-7, kiiruste jaotusel on aga pikk saba, mis sisaldab palju suurema kiirusega ja vastavalt sellele palju suurema energiaga osakesi. (2) Meie poolt arvutatud barjäärikõrgused esitavad barjääride tippe. Läbi barjääri tunneleerumine saab toimuda tippudest tunduvalt madalamal, nagu me nägime punktis 42-5 alfalagunemise korral.

Joonis 43-9 võtab asjad kokku. Tähisega $n\left(K\right)$ märgitud kõver on Päikese südamiku prootonite Maxwelli jaotuskõver, mis vastab Päikese keskme temperatuurile. See kõver erineb joonisel 19-8 toodud Maxwelli jaotuskõverast selle poolest, et siin on kõver antud energiate ja mitte kiiruste jaoks. Täpsemalt: kineetilise energia $K$ iga väärtuse korral jaoks väljendab avaldis $n\left(K\right)dK$ tõenäosust, et prootoni kineetiline energia asub väärtuste $K$ ja $K+dK$ vahel. Päikese südamiku $kT$ väärtus on tähistatud vertikaaljoonega; paneme tähele, et paljud Päikese südamiku prootonid on sellest suurema energiaga.

Joonisel tähisega $p\left(K\right)$ märgitud kõver esitab barjääri läbimise tõenäosust kahe prootoni põrkumise korral. Kaks kõverat joonisel 43-9 viivad mõttele, et eksisteerib selline kindel prootoni energia, mille juures prootoni-prootoni liitumine toimub maksimaalsel määral. Energiatel, mis on sellest väärtusest palju kõrgemal, on barjäär piisavalt läbitav, kuid nii suured energiad on liiga vähestel prootonitel, mis ei võimalda sünteesireaktsiooni käigus hoida. Sellest väärtusest palju madalama energiaga prootoneid on palju, kuid nende jaoks on Coulomb’i barjäär liiga kõrge.

Päike kiirgab energiat võimsusega $3,9\times {10}^{26}W$ ja on seda teinud mitmed miljardid aastad. Kust kogu see energia tuleb? Keemiline põlemine on välistatud: kui Päike koosneks söest ja hapnikust (põlemise jaoks õiges proportsioonis), siis oleks selle põlemine kestnud ainult umbes $1000$ aastat. Teine võimalus on see, et Päike tõmbub omaenda raskusjõu toimel aeglaselt kokku. Gravitatsioonilise potentsiaalse energia muundumisel soojusenergiaks võiks Päike säilitada oma temperatuuri ja jätkata kiirgamist. Arvutus näitab siiski, et ka see mehhanism langeb ära, sest sellest tuleneks Päikese jaoks eluiga, mis on tegelikust vähemalt $500$ korda lühem. Järele jääb ainult termotuumasüntees. Päike, nagu näeme, ei põleta mitte sütt või hapnikku, vaid vesinikku, ja ei tee seda mitte aatomi- ehk keemilises ahjus, vaid tuuma-ahjus.

Tuumasüntees Päikeses on mitmeastmeline protsess, milles vesiniku põlemisel tekib heelium; vesinik on „kütus“ ja heelium on „tuhk“. Joonis 43-10 näitab prootoni-prootoni ($p$-$p$) tsüklit, mille kaudu see toimub.

Algab see $p$-$p$-tsükkel kahe prootoni (${}^{1}H{+}^{1}H$) põrkega, mille tulemusena moodustub deutron (${}^{2}H$) ning koos sellega ka positron ($e^{+}$) ja neutriino ($\nu$). Positron põrkub väga kiiresti kokku vaba elektroniga ($e^{-}$), mida leidub Päikeses palju,
ja mõlemad osakesed annihileeruvad (vt punkt 21-6), nende massienergia vabaneb kahe gammafootonina ($\gamma$).

Selline sündmustepaar on näidatud joonise 43-10 ülemises reas. Need sündmused on tegelikult äärmiselt harvad. Ainult üks umbes ${10}^{26}$ prootoni-prootoni põrke hulgast moodustab deutroni; enamasti prootonid lihtsalt põrkuvad elastselt teineteisest eemale. See on nn „pudelikaela“-protsess, mille aeglus reguleerib energia tootmise kiirust ja hoiab Päikest plahvatamast. Kuid vaatamata selle protsessi aeglusele on Päikese tohutus ja tihedas südamikus nii palju prootoneid, et deuteeriumi (aatomeid, mille tuumaks on deutron) tekib sel viisil ${10}^{12}kg/s$.

Kui deutron on juba tekkinud, siis põrkab see kiiresti kokku mõne prootoniga ja moodustab ${}^{3}He$ tuuma, nagu on näidatud joonise 43-10 keskmises reas. Kaks sellist tuuma võivad lõpuks teineteist leida (${10}^5$ aasta jooksul) ning moodustada alfaosakese (${}^{4}He$) ja kaks prootonit, nagu näitab joonise viimane rida.

Jooniselt 43-10 näeme, et $p$-$p$-tsüklis kombineeruvad ühtekokku neli prootonit ja kaks elektroni, mis moodustavad alfaosakese, lisaks sellele tekib veel kaks neutriinot ja kuus gammafootonit:

Liidame nüüd avaldise 43-10 mõlemale poolele kaks elektroni

Sulgudes olevad suurused kujutavad vesiniku ja heeliumi aatomeid. See lubab arvutada energia vallandumise avaldisega 43-10 (ja 43-11) kirjeldatud reaktsioonis:

kus $4,002603u$ on heeliumi aatomi mass ja $1,007825u$ vesiniku aatomi mass. Neutriinode mass on kaduvväike ja gammafootonitel pole (seisu)massi, seetõttu ei tule need lagunemisenergia arvutamisel arvesse.

Sama $Q$ väärtuse saame (nagu peabki), kui liidame $Q$ väärtused joonisel 43- 10 kujutatud $p$-$p$-tsükli iga eraldi sammu jaoks. Saame

Umbes $0,5MeV$ sellest energiast kannavad Päikesest välja kaks neutriinot, mis on näidatud valemites 43-10 ja 43-11; ülejäänud energia (26,2 MeV) talletatakse soojusenergiana Päikese südamikus. Soojusenergia kantakse üle Päikese pinnale järkjärgult ja kiiratakse sealt välja elektromagnetlainetena, sealhulgas ka nähtava valgusena.

Päikese südamikus toimuv vesiniku põlemine on suurejooneline alkeemia selles mõttes, et üks element muudetakse teiseks. Keskaja alkeemikud olid siiski pigem huvitatud seatina muutmisest kullaks kui vesiniku muutmisest heeliumiks. Teatavas mõttes olid nad õigel teel, välja arvatud asjaolu, et nende sulatusahjud polnud piisavalt kuumad. $600K$ asemel peaks ahju temperatuur olema vähemalt ${10}^{8}K$.

Vesiniku põlemine Päikesel on kestnud umbes $5\times {10}^9$ aastat ja arvutused näitavad, et sinna on jäänud veel küllalt vesinikku, et hoida Päikest tulevikus veel peaaegu sama pika aja jooksul käigus. Kuid viie miljardi aasta pärast hakkab Päikese südamik, mis selleks ajaks sisaldab põhiliselt heeliumi, jahtuma ja Päike hakkab omaenda raskusjõu mõjul kokku langema (kollabeeruma). See tõstab südamiku temperatuuri ja põhjustab välise ümbrise paisumist, mis muudab Päikese niinimetatud punaseks hiiuks.

Kui südamiku temperatuur kasvab uuesti temperatuurini umbes ${10}^{8}K$, siis hakkab energiat jälle tekkima tuumasünteesis – seekord heeliumi põlemisel süsinikuks. Kui täht muutub edasisel arengul järjest kuumemaks, siis võivad tuumasünteesi teel moodustuda ka teised elemendid. Kuid joonisel 42-6 seoseenergiat kujutava kõvera tipu lähedastest elementidest veel raskemaid elemente ei ole edasistel sünteesiprotsessidel võimalik tekitada.

Elemendid, millede massiarv asub ülalpool selle kõvera tippu, võivad tekkida neutronihaaretel tähe katastroofilise plahvatuse ajal, mida kutsutakse supernoovaks (joonis 43-11). Selles sündmuses paisatakse tähe väline kest maailmaruumi, kus see seguneb ja muutub osaks hõredast keskkonnast, mis tähtedevahelist ruumi täidab. Sellest ainest, mis pidevalt tähtede plahvatusest tulevate jääkidega rikastub, moodustuvad gravitatsioonijõudude mõjul tihenemise teel uued tähed.

Vesinikust ja heeliumist raskemate elementide küllus Maal viitab sellele, et ka meie Päikesesüsteem on loodud tähtedevahelisest ainest, mis sisaldas selliste plahvatuste jäänuseid. Niisiis, kõik elemendid meie ümber – kaasa arvatud need, mis on meie kehas – on valmistatud selliste tähtede sisemuses, mida enam ei eksisteeri. Nagu ütles üks teadlane: „Õigupoolest oleme me kõik tähtede lapsed.“

Esimene termotuumareaktsioon Maal toimus Eniwetoki atollis 1. novembril 1952. aastal, mil Ameerika Ühendriigid panid plahvatama tuumasünteesi seadme, mis genereeris $10$ miljoni tonni trotüüli plahvatusele vastava hulga energiat. Reaktsiooni käivitamiseks vajaliku kõrge temperatuuri ja tiheduse saavutamiseks kasutati päästikuna aatomipommi.

Pidevalt töötavast ja juhitavast termotuumasünteesist energia saamine – näiteks termotuumareaktori kasutamine elektrijaamas – on tunduvalt raskem. Vaatamata sellele töötatakse paljudes riikides üle kogu maailma innukalt selle eesmärgi nimel, sest paljud inimesed peavad termotuumareaktorit tuleviku energiaallikaks, seda vähemalt elektrienergia tootmiseks.

Maal asuva termotuumareaktori jaoks ei ole joonisel 43-10 esitatud $p$-$p$-skeem kõlblik, sest see on lootusetult aeglane. Päikesel toimub see ainult tänu prootonite tohutule tihedusele Päikese südamikus. Kõige ahvatlevamad reaktsioonid maapealseks kasutamiseks on kahe deutroni ($d$-$d$) reaktsioonid

ja deutroni-triitoni ($d$-$t$) reaktsioon

Nendes reaktsioonides vajalikke deutroneid saab deuteeriumi aatomitest, mida looduslikus vesinikus on küll ainult üks aatom $6700$ hulgast, kuid looduslik vesinik on praktiliselt piiramatus koguses kättesaadav mereveest. Tuumaenergia pooldajad on meie viimast energiavalikut (pärast kõigi fossiilsete kütuste ärapõletamist) kirjeldanud kui „kivimite põletamist“ (maagist eraldatud uraani lagundamine) või „vee põletamist“ (veest võetud deuteeriumi tuumasüntees).

Termotuumareaktori edukaks töötamiseks on vaja täita kolm nõuet:

1. Osakeste suur arvtihedus $n$. Vastastikmõjus olevate osakeste tihedus (näiteks deutronite arv ruumiühiku kohta) peab olema küllalt suur, et tagada $d$-$d$-põrgete piisavalt suur sagedus. Nõutud kõrgetel temperatuuridel on deuteerium täielikult ioniseeritud ning moodustab deutronitest ja elektronidest koosneva elektriliselt neutraalse plasma (ioniseeritud gaas).
2. Plasma kõrge temperatuur $T$. Plasma peab olema kuum. Vastasel korral ei ole põrkuvatel deutronitel küllalt energiat, et läbida Coulomb’i barjäär, mis kipub neid lahus hoidma. Laboratooriumis on saavutatud plasma ioon-temperatuur $35keV$, millele vastab $4\times {10}^{8}K$. See on Päikese südamiku temperatuurist umbes $30$ korda kõrgem.
3. Pikk vangistusaeg $\tau$. Peaprobleemiks on kuuma plasma piisavalt pikaajaline hoidmine küllalt suurel tihedusel ja kõrgel temperatuuril, et tagada piisava hulga kütuse tuumasünteesi. On selge, et tahke mahuti ei suuda taluda vajalikke kõrgeid temperatuure; plasma lõksus hoidmiseks on vaja nutikamat meetodit. Kahest sellisest meetodist teemegi juttu.

Võib näidata, et $d$-$t$ reaktsioonil põhineva termotuumareaktori edukaks töötamiseks on vaja, et

See nn Lawsoni kriteerium ütleb, et on võimalik valida, kas hoida palju osakesi vangistuses lühikest aega või vähemat arvu osakesi pikka aega. Lisaks selle kriteeriumi täitmisele on ikkagi vajalik, et plasma temperatuur oleks küllalt kõrge.

Praegustes uurimistöödes on juhitava termotuumasünteesi saavutamiseks vaatluse all kaks viisi. Kuigi kumbki neist pole veel olnud lõpuni edukas, peetakse mõlemat paljulubavaks ja neist loodetakse lahendust maailma energiaga varustamise probleemile.

Plasma magnetiline vangistus

Üks viis juhitava tuumasünteesi jaoks on hoida sünteesi lähteained väga tugevas magnetväljas, siit ka nimetus magnetlõks. Selle meetodi ühe versiooni järgi on kuuma plasma vangistamiseks sobiv magnetväli toroidikujulises kambris, mida kutsutakse tokamakiks (see nimi on lühend vene keelest: тороидальная камера с магнитными катушками). Laetud osakestele mõjuvad magnetjõud hoiavad ära kuuma plasma kokkupuute kambri seintega. Joonisel 43-12 näidatud seade asub Princetoni Ülikooli Plasmafüüsika Laboratooriumis.

Plasmat kuumutatakse seda läbiva elektrivooluga ja pommitatakse välisest allikast pärinevate kiirendatud osakeste joaga. Selle meetodi esimene eesmärk on saavutada kasumlikkuse lävi, mis esineb siis, kui Lawsoni kriteerium on rahuldatud või ületatud. Põhieesmärk on aga reaktori süütamine, mille tulemuseks oleks ennast ise säilitav termotuumareaktsioon ja energia tootmine. Aastaks 2007 ei oldud veel süütamiseni jõutud ei tokamakis ega ka teistes magnetlõksuga seadmetes.

Inertsiaalvangistus

Teise meetodi korral, mida kutsutakse inertsiaalvangistuseks, „tulistatakse“ tahke kütuse kuulikest kõigist suundadest intensiivsete laserikiirtega, mis aurustab osa ainet kuulikeste pinnalt. See äkiliselt välja aurustatud aine tekitab sissepoole liikuva lööklaine, mis surub kuulikese südamiku kokku ja tõstab niiviisi osakeste tihedust selles ja temperatuuri. Inertsiaalvangistuse nime põhjendavad kaks asjaolu: (a) kütus on kuulikestes vangis ja (b) osakesed ei pääse kuumutatud kuulikestest välja omaenda inertsi (omaenda massi) tõttu väga lühiajalise tulistamise kestel.

Inertsiaalvangistuse meetodit kasutavat lasersünteesi uuritakse paljudes Ameerika Ühendriikide laborites ja ka mujal. Näiteks Lawrence Livermore’i Laboris tulistatakse liivaterast väiksemaid deuteeriumi-triitiumi kütusest kuulikesi (joonis 43-13) kümnest sümmeetriliselt ümber kuulikese paigutatud suure võimsusega laserist tulevate sünkroniseeritud impulssidega. Laseriimpulsid peavad andma igale kütusekuulikesele vähem kui nanosekundi jooksul kogusummas umbes $200kJ$ energiat. See teeb impulsis ülekantud võimsuseks umbes $2\times {10}^{14}W$, mis on ümmarguselt $100$ korda suurem maailma kõigi elektrijaamade ühendatud võimsusest!

Lasersünteesi tüüpi termotuumareaktori töötamisel plahvatavad kütusekuulikesed nagu miniatuursed vesinikupommid sagedusega $10$ kuni $100$ plahvatust sekundis. Termotuumareaktori teostatavust lasersünteesi abil ei ole aastaks 2007 veel katseliselt tõestatud, kuid uurimine jätkub jõulise tempoga.