15
5
10
00 1.0 2.0 3.0 4.0
Q≈0.2
Q≈0.64
5.0 6.0
Aeg (s)
Tuum
asün
tees
iene
rgia
või
msu
s (M
W)
JET(1997)
JET(1997)
JET(1991)
JG00.57/1c
D+T
Plasma
Liitiumi sisaldav kate
Soojusvaheti
Vaakumanum
Auruboiler
Turbiin ja voolugeneraator
D
Elektrivool
Heelium
Triitium ja heelium
Triitium
Deuteeriumikütus
Ülijuhtiv magnet
4He
T+4He
Varjestuse konstruktsioon
JG99.278/3c
1
1980 1990 2000
23456789
0
1011
GaasVedelkütusPõletatavad taastuvad ning jäätmed
Kivisüsi TuumaenergiaHüdro
Maailma tuumasünteesikeskused
Poloidaalse välja mähised
Toroidaalse välja mähised
Magnetvälja joonedPlasma vool
Plasma
Magnetväljad tokamakis
Magnetväljad stellaraatoris
Esimene tokamak Kurtšatovi Instituudis (Vene Föderatsioon)
Ameeriklaste tokamak DIII-D (General Atomics)
Joint European Torus (JET)Culhami Teaduste Keskus UK
JETi sisemus, plasma nähtav pildi paremal poolel
JETi maailmarekordiline tuumsünteesivõimsus
JT-60UMaailma primaarenergiaga varustatuse areng kütuseliikide ajavahemikus 1971
kuni 2003 (Btoe). Allikas: IEAMineviku ja tuleviku CO2
kontsentratsioon
Tuumasünteesijaama skemaatiline joonis
260
280
300
320
340
360
380
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Aasta
D57
D47
Mauna Loa
South Pole
CO
2��k
onts
entr
atsi
oon�
(ppm
)
Leto
Ko
gu
pri
maa
ren
erg
ia v
aru
Magnetiline sulustamineTuumasünteesi “magnetilise sulustamise”
meetodil hoitakse plasma seintest eemal
tugeva magnetvälja abil. Plasma koosneb
laetud osakestest – positiivselt laetud ioonidest
ja negatiivselt laetud elektronidest – need
järgivad magnetvälja jõujooni. Plasmat hoitakse
sõõrikukujulises ehk toroidses anumas, milles
magnetjooned moodustavad suletud ringi,
mida mööda laetud osakesed liiguvad seintega
kohtumata kümneid tuhandeid kilomeetreid.
Niisuguses “magnetilises puuris” on plasma
sulustatud.
Kirjeldatud lähenemist järgivad peamiselt kahte
tüüpi masinad: tokamakid ja stellaraatorid. On
olemas ka teisi magnetkonfi guratsioone nagu
pöördvälja pintš-lahendus ning kompaktne
(sfääriline) tokamak. Käesoleva ajani on
edukaimateks osutunud tokamakid.
Küllaldase hulga tuumasünteesi reaktsioonide
käivitamiseks magnetsulustatud seadmes
on vaja välist kuumutamist senikaua, kuni on
saavutatud piisavalt kõrge temperatuur. Selleni
võib jõuda kasutades näiteks mikrolaineid ja
kõrge energiaga osakestest moodustunud
kiirtekimpe. Kui tuumasünteesi „põlemine” on
kord alanud, tekib suurel arvul tuumasünteesi
produkte – heeliumi tuumi ja neutroneid, mis
kannavad endaga hulgaliselt energiat.
Põlev plasmaÜks deuteeriumi-triitiumi tuumasünteesi
produktidest on heeliumi tuum, mis kannab
endaga 20% reaktsiooni käigus tekkinud energiast
kineetilise energiana. Kuna heeliumi tuum on
elektriliselt laetud, siis sulustatakse ta magnetvälja
ning energia kandub üle deuteeriumi-triitiumi
kütusemassile, viimast sel viisil kuumutades. Piisavalt
suure seadme korral võimaldab kirjeldatud protsess
tuumasünteesi jaoks vajalikku energiat saada
peamiselt “iseeneslikust-kuumutamisest”. Sellisel
juhul kutsutakse plasmat “põlevaks plasmaks”.
Lisaks heeliumituumadele toodab iga
tuumasünteesi reaktsioon ka neutroneid, mis
kannavad endaga 80% tuumasünteesil vabanenud
energiast. Kuna neutronil puudub elektrilaeng, siis
ei sulustata teda ka magnetvälja ning ta satub otse
kattematerjali, mis vooderdab toroidi seinu. Kattes
neeldunud energia eemaldatakse jahutussüsteemi
poolt. Kuumutatud vedelik juhitakse, nagu
tavalisteski elektrijaamades, soojusvahetisse, kus
toodetakse auru, mida kasutatakse elektrit tootva
turbiini käivitamiseks. Teise võimalusena võib kõrget
temperatuuri kasutada vesiniku tootmiseks.
Inertsiaalselt sulustatud tuumasüntees Inertsiaalselt sulustatud tuumasüntees järgib
hoopis teistsugust põhimõtet. Deuteeriumi-
triitiumi kütusega täidetud mõnemillimeetrise
läbimõõduga tabletti kiiritatakse paljude
ülivõimsate laserite välgatustega. Tekkinud
plahvatuses paisatakse tableti väline kiht minema
ning tablett surutakse suure jõuga kokku, mis
viib temperatuuri ja tiheduse tuumasünteesi
toimumiseks vajalikule tasemele.
Peamine raskus inertsiaalse tuumasünteesi
juures on tableti võimas ning ühtlane suure
sagedusega kiiritamine. Sellel tööprintsiibil
põhinevas tuumasünteesi elektrijaamas tuleb
kuumutada ja põletada ühes sekundis umbes
10 20 tabletti.
Olulised verstapostid tuumasünteesialases arengusTuumasünteesialastes uuringutes on viimaste aastakümnete
jooksul toimunud ülemaailmselt tohutu areng. Eksperimendid
tokamakkides arenesid 70ndate alguses kiiresti ning planeeriti
esimesi D T eksperimente. 1991 a. l saavutati esimest korda
kontrollitud D T tuumasünteesi reaktsioon Maal, vabastati
tuumasünteesienergiat võimsusega 1,7 MW. See tähtis
sündmus leidis aset Ühendatud Kuningriigis Oxfordi lähistel
paikneval „Joint European Torus’ks” (JET) kutsutaval tokamak-
seadmel, mis on ehitatud Euroopa füüsikute ning inseneride
poolt.
1994 a. l saavutati USA-s paikneval TFTR tokamakil
tuumasünteesi võimsuseks 10 MW. 1997 a. l laiendati JETi
suutlikkust veelgi: mõne sekundi jooksul hoiti kümne megavati
suurust tuumasünteesi võimsust ning maksimumvõimsuseks
saavutati 16 MW.
Järgmine sammNeed tulemused koos paljude teiste tokamak-seadmetega üle
maailma on tekitanud tugeva teadusliku ning tehnilise baasi
järgmise sammu astumiseks: rahvusvaheline projekt ITER.
ITER on tokamak, mis on kavandatud tootma tuumasünteesi
võimsust sadades megavattides ja energiat kümme korda
rohkem, kui kulutatakse plasma kuumutamiseks. ITERis
hakkab tööle „põlev plasma” - tuumasünteesi reaktsioonid,
mis hoiavad ise plasma temperatuuri kõrgel elektrijaama
toimimiseks vajalikes tingimustes. Ühtlasi demonstreeritakse
tuumasünteesi energiaallikana kasutamiseks vajalikke
võtmetehnoloogiaid.
Jätkusuutlik energiavalikTuumasüntees on inimkonnale pikaajalises perspektiivis
üks vähestest jätkusuutlikest energiaalternatiividest. See
võimaldab ohutut ja keskkonnasõbralikku, laialdaselt
kättesaadavat ning tagatud varustuskindlusega kütust. Kord
väljatöötatuna on sel potentsiaali mängida olulist rolli energia
baaskoormuse tootmisel koos teiste uue generatsiooni
energiatootmise tehnoloogiatega.
Kasvuhoonegaaside emissioon põhjustab
kliimamuutust ja globaalset soojenemist,
muudab sademete väljakujunenud mustrit
ning meretaseme tõusu. Emissiooni
vähendamine on edasilükkamatu probleem
ning tõsiste keskkonnakahjude vältimiseks
on vajalik nii lühi- kui pikaajaliselt rakendada
karme meetmeid. Kyoto Protokolliga kokku
lepitud emissioonivähendused on alles
esimene samm.
Oluline panus kliimamuutuse vältimiseks
peab tulema kasvuhoonegaaside null-
emissiooni lähedaste energiatootmis
tehnoloogiate väljatöötamisest ning
rakendamisest. Tuumasünteesi elektrijaam
ei väljasta niisuguseid gaase ning on
seetõttu üks vähestest säästlikest tuleviku
energiatehnoloogiatest, mis võimaldaks
varustada meid piisava hulga energiaga.
Kui tuumasünteesi uurimisprogramm
osutub edukaks, võib see oma osa
energiatootmisse anda juba selle sajandi
teisel poolel.
Tuumasünteesi kütused, deuteerium
ja triitium, on vesiniku raskemad ja
vähemlevinud isotoobid. Iga kuupmeeter
vett sisaldab 33 grammi deuteeriumi, nii
on seda külluslikult ning odavalt saadaval
üle kogu maailma. Kosmilise kiirguse poolt
tekitatud 12,3 aastase poolestusajaga
triitiumi esineb looduslikult äärmiselt
vähe. Siiski võib seda tuumasünteesi
elektrijaamades toota maakoores
enamlevinud kergmetallist liitiumist.
Tuumasünteesi elektrijaam vajab väga
väikeses koguses kütust: 1000 MW
võimsusega elektrijaam vajab ühe aasta
jooksul ainult 100 kg deuteeriumi (sisaldub
2800 m3 merevees) ning 150 kg triitiumi
(sisaldub 10 tonnis liitiumi maagis).
Võrdluseks: sama võimas kivisöe elektrijaam
vajaks sama pika aja jooksul 2,7 miljonit
tonni sütt.
Väike kütuse kogus – kiire seiskamineKuigi tuumasünteesi elektrijaama kuum
plasma võtab enda alla suure ruumala – 1000
m3 või enam – on deuteeriumi ja triitiumi
koguhulk plasmas tühine. Kütus plasma anumas
kaalub sama palju kui kümme postmarki.
Väike kütuse hulk plasmas on tuumasünteesi
elektrijaama ohutuse tagamise põhialus, sest
plasma põlemiskambrisse sisestatakse ainult
paarisekundiliseks käigushoidmiseks vajalik
kütuse kogus. Nagu gaasipõletis, võidakse
tuumasünteesiprotsess lõpetada mõne sekundi
jooksul, lülitades välja välise kütusevarustuse. See
tähendab, et tuumasünteesi elektrijaama saab
seisata turvaliselt ning väga kiiresti.
Õigete plasmatingimuste säilitamise keerukuse
tõttu on tuumasüntees passiivselt ohutu
protsess: iga kõrvalekalle optimaalsetest
tingimustest põhjustab tuumasünteesiprotsessis
energiatoodangu vähenemise või koguni
peatumise.
Sisemise ohutuse aspektidKui plasma ei põle, on tuumasünteesi
elektrijaama ainsaks energiaallikaks plasmat
ümbritseva aktiveeritud materjali radioaktiivne
lagunemine. Ohutusuuringud on näidanud,
et see energiaallikas on piisavalt nõrk ja isegi
täieliku ning pideva jahutuse kadumise korral
ei saa tekkida konstruktsiooni temperatuuri
tõusust tulenevaid kahjustusi.
Triitium: toodetakse ja põletatakse kohapealTuumasünteesi elektrijaama unikaalne tunnus
on see, et kütuse radioaktiivne komponent,
triitium, toodetakse masina plasmat ümbritsevas
ning liitiumi sisaldavas kattes. Tuumasünteesi
käigus vabanenud neutronid reageerivad kattes
liitiumiga, muutudes triitiumiks. Seega, kütuse
ainuke radioaktiivne komponent nii toodetakse,
kui ka põletatakse suletud tsüklis. See ei vaja
transporti, välja arvatud uue tuumasünteesi
elektrijaama käivitamisel ja sulgemisel.
Pole kahjulikku radioaktiivset emissiooniTuumasünteesikütuse algkomponendid
– deuteerium ja liitium – ei ole radioaktiivsed
ning neid võib probleemideta elektrijaama
transportida. Tuumasünteesi põlemisel
tekkinud “tuhas” on väikeses koguses inertgaasi
heeliumi, mis pole samuti radioaktiivne.
Ulatuslikud ohutusuurimused on näidanud,
et tuumasünteesi elektrijaam suudab töötada
ilma inimese ja keskkonna jaoks kahjulike
radioaktiivsete heitmeteta. Iga jaamasiseselt
tekkinud õnnetuse puhul oleks väljapaisatud
triitiumi maksimumkogused tasemel, mille juures
jaamavälised alad ei vajaks evakueerimist.
Tuumasünteesi elektrijaamad konstrueeritakse
nii, et triitiumi käitlemine toimuks ohutult,
alludes rangetele seadustele ning reguleeritud
protseduuridele.
Madala-aktivatsioonigakonstruktsioonimaterjalide katsetamineTuumasünteesi reaktsiooni käigus radioaktiivseid
produkte ei teki. Küll aga interakteeruvad
tuumasünteesi jooksul vabanevad kõrge
energiaga neutronid plasmakambri seintega
ning sisekomponentidega ja aktiveerivad
sealseid materjale. Tekkiv radioaktiivsus sõltub
kasutatavate konstruktsioonimaterjalide
valikust. Töötades välja sobivaid materjale,
on võimalus vähendada jäätmete hulka.
Valdkondades, kus töötatakse välja vajalikke
madala aktivatsiooniomadustega materjale
nagu näiteks vanaadiumi ning kroomi sulameid,
toimub aktiivne uurimine. Samuti uuritakse
keraamilisi fi iber-komposiidseid materjale, kuna
ka need võivad pikemaajalises perspektiivis
töötada madala aktivatsiooniomadustega
materjalidena.
Praegused materjaliuuringute plaanid hõlmavad
ka rahvusvahelist Tuumasünteesimaterjalide
Kiiritusrajatist (International Fusion Materials
Irridiation Facility (IMFMIF)). See kõrge
intensiivsusega neutronallikas on vajalik
tuleviku tuumasünteesireaktorites kasutatavate
materjalide omaduste katsetusteks, keskendudes
peamiselt madal-aktivatsioonmaterjalidele.
Käesolevaks ajaks läbiviidud materjalide
väljatöötamise uuringute tulemused näitavad,
et tuumasünteesi elektrijaama ekspluatatsiooni
käigus tekitatud radioaktiivsus peaks langema
materjalide taaskasutuseks vajalikule tasemele
umbes saja aastaga.
CO2-vaba energiaallikas
Tuumasünteesi kütus – praktiliselt ammendamatu
energy_ee.indd 1energy_ee.indd 1 26.06.2007 16:29:03 Uhr26.06.2007 16:29:03 Uhr
www.efda.org
EFDA Close Support Unit - GarchingBoltzmannstr. 2
D-85748 Garching / München - SaksamaaTelefon: +49-89-3299-4237
Fax: +49-89-3299-4197E-mail: [email protected]
Toimetajad: Federico Casci, Doris LanzingerGraafi line kujundus: Karen JensKujundus: Stefan Kolmsperger
© J. Pamela (EFDA juht) 2007.
Brošüüri või selle osade loata kopeerimine pole lubatud. Tekst, pildid ja kujundus EFDA osapoolte loal; kujutis lk. 1: Kurtšatovi Instituudi loal; lk. 2: General Atomics; lk.3: JAERI; lk. 4: IEA ja IPCC 2001 (WGI,Spm).
EFDA osapoolteks on Euroopa Komisjon ning selle poolt koordineeritud Euroopa tuuma-sünteesiprogrammi assotsiatsioonid.
Ei Euroopa Komisjon, Assotsiatsioonid ega keegi teine, kes tegutseb nende nimel, ei vastuta brošüüris sisalduva info kasutamisest tuleneva võimaliku kahju ees .
Erilised tänud kõigile vabatahtlikele, kes tõlkisid brošüüri teistesse keeltesse.
Toroidaalse välja mähise mudel TOSKA katserajatises
(Karlsruhe, Saksamaa)
Integreeritud divertori prototüüp
Divertori katseplatvorm(Brasimone, Itaalia)
ITERi asupaiga mudel
Tuumasünteesi reaktsioon
He
n T
D
4He + n + EnergiaD + T
EnergiaElektrijaama suunas
Tuumasüntees, päikeseenergia allikasTuumasünteesi protsess, kus kerged tuumad ühinevad
raskemateks, on Päikese ja tähtede energiaallikaks: Päike sulatab
vesinikku heeliumi aatomiteks, mille käigus muundatakse umbes
pool protsenti vesiniku massist energiaks. Massi ja energia
omavahelist seost kirjeldab Einsteini kuulus võrrand E = mc2.
Energia pageb valgusena, millest suurem osa kaob kosmose
sügavusse. Vähem kui üks miljardik langeb Maale, kus see on
miljardite aastate jooksul hoidnud ülal veeringlust, tuult ja elu.
Maal omab tuumasüntees suurt potentsiaali, et anda
suur osa vajalikust jätkusuutlikust energiast tulevikus.
Teadlased ja insenerid üle kogu maailma viivad
läbi termotuumasünteesi uuringuid eesmärgiga
konstrueerida elektrit tootev termotuumasünteesil
põhinev elektrijaam selle sajandi teisel poolel.
Alustades rahvusvahelist ITERi projekti, mis peaks
demonstreerima tuumasünteesi energia tekitamise
tehnilist ja teaduslikku võimalikust, siseneb
tuumasünteesi kogukond väga olulisse arengufaasi
selle eesmärgi saavutamisel.
Taltsutades tuumasünteesi MaalVesinikuaatomid Päikesel ja tähtedel ühinevad
väga kõrgel temperatuuril ning väga kõrge
gravitatsioonilise rõhu all. Põhimõtteliselt on
võimalik tuumasünteesida paljusid kergeid
elemente, aga kõikide võimalike reaktsioonide
hulgast lihtsaim on saavutada deuteeriumi ja
triitiumi – kahe vesiniku isotoobi – tuumasüntees,
mis ongi valitud tuleviku tuumasünteesi
elektrijaamade töötamisel aluseks. Deuteeriumi
ja triitiumi heeliumiks muundumise protsessi
käigus tekib üks neutron ning hulgaliselt
energiat.
Sada miljonit kraadiAatomituumad tõukavad teineteist, sest mõlemal on positiivne elektrilaeng. Tuumade
teineteisele piisavalt lähedale toomiseks ja tuumasünteesi protsesside toimumiseks peavad
nad väga suurtel kiirustel kokku põrkuma. See tähendab, et gaasi temperatuur peab olema
äärmiselt kõrge. Deuteeriumi-triitiumi tuumasünteesiks on vajalik saavutada temperatuur
vahemikus 100 150 miljonit kraadi Celsiust.
Nii kõrgetel temperatuuridel kaotavad gaasilises kütuses asuvad aatomid endilt elektronid
ja moodustavad üheskoos laetud osakeste gaasi, mida nimetatakse plasmaks. Kuna kuum
plasma, puutudes kokku teda hoidva konteineri seintega, jahtuks silmapilkselt (peatades ka
tuumasünteesi protsessi), peab plasmat mingil viisil seintest eemal hoidma. Lisaks aitab see
vältida seinte erosiooni ja plasma saastumist.
ITER, järgmine samm tuumasünteesiuuringutes
Ülemaailmne koostööITER, mis ladina keeles tähendab “tee”, saab olema järgmine
tähtsaim eksperimentaalne tokamak-tüüpi rajatis. Tema
eesmärgiks on teaduslikult ja tehnoloogiliselt demonstreerida
tuumasünteesienergia rakendatavust rahumeelsetel eesmärkidel.
ITER on kavandatud rahvusvahelises koostöös ning projekti
partneriteks on EL, Hiina, Jaapan, India, Vene Föderatsioon, Korea
Vabariik ning Ameerika Ühendriigid.
ITERi eesmärgiks on põleva tuumasünteesiplasma uurimine
tuleviku tuumasünteesi elektrijaamale väga sarnastes
tingimustes. See peaks andma 500 MW tuumasünteesi võimsust
energia kasuteguriga vähemalt 10, mis tähendab, et toodetakse
10 korda rohkem energiat, kui selle saamiseks plasmasse
pannakse. Samuti loodetakse demonstreerida pidevrežiimil
töötamist, tuumasünteesi elektrijaama seisukohast oluliste
tehnoloogiate olemasolu ja integreeritust ning järgmiste
tuumasünteesiseadmete koosteosade katsetamist.
ITERi jaoks võtmetähtsusega tehnoloogiaid on demonstreerinud seitse suurt T&A projektiITER koondab enda alla täismõõtmetes teostatavaid
võtmetähtsusega tehnoloogiaid ja komponente:
ülijuhtmagneteid, kõrget kuumuskoormust taluvaid
komponente, kaughooldussüsteeme ja triitiumi käitlemise
rajatisi. Viimase 10 aastaga on paljud olulise tähtsusega
tehnoloogilised küsimused edukalt lahendatud, seda tänu
seitsmele suurele T&A projektile, mis on andnud tugeva
tehnilise baasi ITERi ehitamiseks.
ITERi maksumus, ajakava ja asukohtITERi ehitusmaksumuseks, panustatuna peamiselt
masinate ja komponentide näol ning jagatuna
rahvusvaheliste partnerite vahel, on planeeritud
4,6 miljardit Eurot (2000 a. vääringus).
Kogumaksumusest poole kannab Euroopa Liit.
ITER ehitatakse Euroopasse Cadarache’i lähedale
Lõuna-Prantsusmaale, valmimiseks kulub kümme
aastat ning käitusajaks planeeritakse umbes
kakskümmend aastat.
Paralleelselt ITERi ehituse ja
opereerimisega kaasneb füüsika
ning tehnoloogia T&A programm,
et valmistada ette järgmist sammu,
DEMO.
DEMO peaks tulema kasutusse 30 35
aastat pärast ITERi ehitamise algust ja
demonstreerima suuremastaabilist
elektritootmist ning triitiumkütuse
omavarustuse piisavust. See viib
tuumasünteesi kasutuse tööstuse
ajastusse ning avab tee esimesele
kommertsiaalsele tuumasünteesi
elektrijaamale.
energy_ee.indd 2energy_ee.indd 2 26.06.2007 16:29:10 Uhr26.06.2007 16:29:10 Uhr
