Tuumasüntees: kuidas tekib energia tähtedes ja tehnoloogias

Tuumasüntees on protsess, mille käigus kahest kergemast tuumast moodustub üks raske tuum (aatomi osa). Seda protsessi nimetatakse tuumareaktsiooniks. See vabastab suure hulga energiat, sest moodustuva tuuma mass on veidi väiksem kui lähtetuumade masside summa — see nn massidefekt muundub energiaks vastavalt E=mc2. (Einsteini võrrandile on viidatud allpool).

Mis täpselt toimub ja miks tekib energia

Fusioonil tekkiv tuum on raskem kui kumbki lähteaine, kuid kergem kui nende lähteaatomite (aatomite) algmassi summa. See kaotatud mass muutub suureks energiaks, mida kiirgatakse välja osakeste ja footonite kujul. Energia tekib seetõttu, et tuumade sidumisenergia (energia, mida on vaja tuuma hoidmises kokku) muutub — tugevama sidumisenergiga tuum tähendab vabanevat energiat.

Tuumasüntees tähtedes

Termotuumasüntees toimub tähtede sees, näiteks Päikesel. Seal on väga kõrged temperatuurid ja suured rõhud, mis võimaldavad vesiniku aatomituumadel ületada üksteise vastastikuse tõrjumise (Coulombi tõugete) ja sulanduda, et moodustada heeliumi ja raskemaid elemente. Sellistes reaktsioonides vabaneb palju energiat, mis annab jõudu tähe soojusele ja valgusele.

Tähtedes käivad erinevad fuusiooniprotsessid sõltuvalt massist ja temperatuurist — väiksemas Päikesetüüpi tähe südalinnas domineerib prooton-prooton ahel, suuremates tähtedes võib olulisel kohal olla CNO-tsükkel. Kõiki elemente ei saa siiski omavahel vabalt ühendada: kergemate elementide ühendumine vabastab energiat, kuid väga raskete aatomite ühendamisel (üle teatud massi) läheb see protsess energia nõudlikuks.

Eriline tähendus on raual — Raud (metall) ning selle lähimad elemendid on tuumafüüsika seisukohalt kõige tihedamalt seotud: raua tuumadel on maksimaalne sidumisenergia ühe nukleoni kohta ja neid ei saa rohkem energiat vabastades sulandada. Sellepärast tähed lõpuks ei saa enam tuumasünteesi toel energiat toota: tähed ühendavad järjest oma aatomeid, tehes järjest raskemaid elemente kuni rauani; kui tuumasünteesi reaktsioonid rauani jõudvad katkevad, hakkab täht jahtuma ja lõpuks sureb või plahvatab vastavalt massile ja tingimustele.

Tuumasüntees Maal — miks see on keeruline

Maal on väga raske käivitada tuumasünteesi reaktsiooni, mis vabastab rohkem energiat kui selle käivitamiseks kulub. Peamised põhjused:

• Tuumad kannavad positiivset laengut (prootonid) ja tõukuvad omavahel tugevasti — tuleb ületada Coulombi tõuge.
• See nõuab väga kõrget temperatuuri (järjestikku kümneid kuni sadu miljoneid kraade) ja/või väga kõrget rõhku, et tuumad liiguksid piisavalt kiiresti ja sageli kokku põrkamiseks.
• Kõige enam uuritud kütus on deuterium-tritium (D–T), sest sellel on suurim fuusioonilõik-ala madalamatel temperatuuridel; aga tritium on radioaktiivne ja seda tuleb kas toota (näiteks liitiumi abil) või varuda muul viisil.

Ainsad seni teadaolevad ja väga veenvad viisid tuumasünteesi kiireks käivitamiseks on olnud tuumarelvad (vesinikupommid), kus lõhustumisplahviku energia loob lühiajaliselt tingimused, mis käivitavad kontrollimatu termotuumareaktsiooni. Teadlased ja insenerid on aastakümneid püüdnud leida turvalist ja kontrollitud viisi, kuidas termotuumareaktsioone ohjeldada ja kasutada elektrienergia tootmiseks; nende seas on märkimisväärseid tehnilisi ja materjalilisi väljakutseid.

Peamised tehnoloogiad ja probleemid

• Magnetiline kinnipidamine — tokamakid ja stellaratorid kasutavad tugevaid magnetvälju plasma piiramiseks väga kõrgetel temperatuuridel (näiteks ITER on suur tokamak-projekt). Peamised probleemid on plasma ebastabiilsus, kuumutamine, ja materjalide taluvus neutroonkiirguse ees.
• Inertsiaalkinnitamine — väga intensiivsete laserite või suurtükkide kokkusurutud implosioonid (näiteks NIF, National Ignition Facility) püüavad saavutada lühiajalist väga kõrget tihedust ja temperatuuri. Siin on keeruline saavutada piisavat reprodutseeritavat ja energiatootvat tsüklit.
• Triteemi ja kütusevarustus — deuteeriumi saab mereveest ja seda on palju, tritiumit tuleb toota näiteks liitiumpinna abil neutroneid neelates. Tritiumi ringlus ja tootmine on tehniliselt ja reguleerimislikult nõudlik.
• Neutronid ja materjalid — D–T fuusiooni kaasneb kõrenergiliste neutronide emissioon, mis kiirgavad ja aktiveerivad konstruktsioonimaterjale; tuleb leida vastupidavamad sulamid, kaitselahendused ja hoolduskonseptsioonid.

Mida saavutada püüeldakse ja millal

Eesmärk on saavutada «süntesise lävi» või ignitsioon — olukord, kus tekkiv fuusioonienergia on suurem kui süsteemi hoidmiseks ja kütuse kokkusaamiseks kuluv energia. Rahvusvaheline koondprojekt ITER ehitatakse selleks, et näidata skaalal, kuidas magnetkinnitusega reaktor võib toota netoenergiat ja uurida tehnilisi lahendusi. Samuti toimuvad inertiaal- ja alternatiivsed katselahendused ning paljud erasektori ettevõtted arendavad väiksemaid või uut tüüpi lahendusi (näiteks magnetiseeritud sihtfusioon, aneutronilised kütused jne).

Keskkonnamõju ja eelised

Tuumasüntees pakub potentsiaalselt puhast ja peaaegu lõpmatut energiaallikat: see ei tekita kasvuhoonegaase tööajal, põlemisproduktid on minimaalsed ning süsinikujälg on oluliselt väiksem kui fossiilkütustel põhineval enamikul lahendustel. Kuid D–T fuusiooniga kaasnev neutronikiirgus tekitab materjalidesse radioaktiivset aktiveerumist, mis tuleb arvestada jäätmekäitluses. Võrreldes tuumaelektriaga (tuumalõhustumisega) on tuumasünteesi peamine eelis: pole reaalses mõttes «meltdown» riski ja tuumasünteesireaktorid ei saa plahvatada samal viisil nagu tuumareaktorid.

Kokkuvõte

Tuumasüntees on looduses tähtede energiakandja ja inimesele lubav, pikaajaline uurimisvaldkond puhta energia saamiseks. Kuigi põhimõisted on selged — kergemate tuumade liitumisel vabaneb energia massidefekti kaudu — on praktiline, ohutu ja majanduslikult elujõuline kontrollitud tuumasüntees Maal veel tehniline väljakutse. On tehtud suuri edusamme, kuid enne laiaulatuslikku kommertslikku kasutamist tuleb lahendada veel mitu olulist teaduslikku ja insenerlikku probleemi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumasüntees?

K: Kuidas see protsess toimib?

K: Kus see protsess toimub?

K: Kas kõik elemendid on võimelised ühinemise teel ühenduma?

K: Kas Maal on lihtne tuumasünteesi reaktsioone käivitada?

K: Kas kellelgi on õnnestunud neid reaktsioone elektrienergia tootmiseks kontrollida või piirata?

K: Mis on seni olnud edukas seoses tuumasünteesiga?

Otsing