Tuumaenergia: definitsioon, toimimine, kasutus ja jäätmete ohud

Tuumaenergia: kuidas see toimib, kasutus elektritootmises, termotuumasünteesi potentsiaal ning radioaktiivsete jäätmete ohud ja ohutu käitlemine.

Tuumaenergia on tuumaenergia kontrollitud kasutamine. Tuumaenergia on energia, mis sisaldub "lõhustuvates" elementides, nagu uraan, mida saab eraldada tuumareaktsioonidega tuumareaktoriks nimetatavas seadmes. Sellest energiast saadakse elektrienergiat, mida saab kasutada masinate käivitamiseks ja kodude kütmiseks. Aastal 2007 saadi 14% maailma elektrienergiast tuumaenergiast. Tuumaelektrijaamades tekib ka radioaktiivseid jäätmeid, mis võivad olla kahjulikud, kui neid ei ladustata nõuetekohaselt.

Alates 20. sajandi keskpaigast on uuritud ka termotuumasünteesi kasutamist, mis toodab palju rohkem energiat ja ei tekita radioaktiivseid jäätmeid. Tuumasünteesi reaktoreid ei ole veel olemas ja neid alles arendatakse.

Kuidas tuumaenergia töötab

Fissioon ehk tuuma lõhustumine on protsess, kus raske aatomi tuum (nt uraan-235 või plutoonium-239) lööb sisse neutroneid ja lõheneb kaheks või enamaks kergemaks tuumaks. Selle käigus vabaneb suur kogus soojusenergiat ja täiendavaid neutroneid, mis võivad vallandada järgmisi lõhustumisi — nii tekib enesekestv ahelreaktsioon, mida reaktoris kontrollitakse.

Soojuse abil kuumutatakse reaktoris vett või mõnda muud töötavat ainet, mille aur käitab turbiine ja genereerib elektrit. Kontrollimiseks kasutatakse neutronite kiirust ja hulka reguleerivaid juhtkambreid ning jahutussüsteeme, mis võtavad ära reaktori poolt eralduva sooja.

Reaktoritüübid ja tehnoloogia

• Pressurised Water Reactor (PWR) — survega vett kasutatakse nii jahutus- kui ka aurutsüklis (sagedane tüüp).
• Boiling Water Reactor (BWR) — vesi keeb otse reaktoris ja aur läheb turbiinile.
• Rõhkkontrolliga ja raske vee reaktorid — kasutavad neutroneid tõhusamalt, võimaldavad kasutada looduslikku uraani.
• Kiirpõletusreaktorid (fast breeders) — võivad toota rohkem kütust (plutooniumit) ja vähendada jäätmete hulka läbi ümbertöötluse.
• Väikesed modulaarreaktorid (SMR) — uued, väiksemad ja modulaarsemad lahendused, mille eesmärk on madalamad kulud ja suurem paindlikkus.

Kasutusalad

• Elektritootmine — tuumaenergia annab suures koguses püsivat baaskoormuse elektrienergiat.
• Laevad ja allveelaevad — tuumareaktorid annavad pikaulatusliku tööraadiuse ilma kütusepeatusteta.
• Meditsiin ja teadus — radioisotoope kasutatakse diagnostikas ja ravis; reaktoreid kasutatakse ka materjalide uurimiseks.
• Teised — tööstuslik protsessisoojus, veesoola eemaldamine ja võimalik tulevane tööstuslik jõuvarustus.

Ohud ja riskid

Kiirgus: radioaktiivsus võib kahjustada elusrakke ja põhjustada terviseprobleeme, sealhulgas kiiritushaigust ja suurenenud vähi riski. Õige kaitse, jäätmekäitlus ja ohutusprotseduurid vähendavad neid riske.

Õnnetused: kuigi tuumaelektrijaamad on tänapäeval konstrueeritud väga turvaliselt, on ajaloost tuntud tõsised avariid (nt Tšernobõl 1986, Fukushima 2011), mis tuvastavad korduva vajaduse range regulatsiooni ja hädaolukorra valmistumise järele.

Levimisohud: tuumaenergia tehnoloogia võib kaudselt toetada tuumarelva arendamist, seetõttu on oluline rahvusvaheline kontroll ja tuumarelvade leviku piiramine.

Tuumajäätmete käitlemine

Tuumajäätmed jagunevad üldiselt kolmeks kategooriaks: madala, keskmise ja kõrge aktiivsusega jäätmed. Peamised käitlemisviisid:

• Värske kütuse järel jahutus kütusebasseinides (spent fuel pools), et vähendada kuumust ja radioaktiivsust.
• Kuivlaadimiskonteinerid (dry casks) — kasulik pikemaajaliseks ladustamiseks töökohas järgides rangeid turvanõudeid.
• Vitrifitseerimine ja sügavgeoloogiline ladustamine — kõrgeaktiviivsuse jäätmete immobiliseerimine klaasis ja maapõues pikaajaliseks hoidmiseks (nt kogemusprogrammid ja uurimiskäitlused).
• Ümbertöötlemine ja transmutatsioon — mõnes riigis võetakse kasutusele kütuse ümbertöötlemine, et eraldada taasväärtuslikke aineid ja vähendada lõplikku jäätmete hulka.

Üks tuntud geoloogilise ladustamise näide on Onkalo tuumajäätmete hoidla Soomes (näiteks mainimiseks), kus otsitakse pikaajalist ja stabiilset lahendust.

Ohutus ja regulatsioon

Rahvusvahelised ja riiklikud institutsioonid (nt IAEA) kehtestavad standardid tuumaohutuseks, turvalisuseks ja jäätmekäitluseks. Jaamad peavad läbima regulatiivsed kontrollid, riskihindamised ja hädaolukorra planeerimise. Readundantsed tehnilised süsteemid, mitmekihiline kaitse ning asjatundlik personal on tuumaenergia ohutuse nurgakivid.

Tulevik ja alternatiivid

Tuumasüntees (termotuumasüntees) on paljutõotav energiaallikas, mis reaalsuseks saades annaks suurt energiakogust peaaegu ilma pikaajaliste radioaktiivsete jäätmeteta. Projekti- ja uurimistasemel on mitmeid rahvusvahelisi algatusi (nt ITER), kuid tehnilised väljakutsed — eriti plasma kontrollimine ja energia positiivne bilanss — pole veel täielikult lahendatud.

Arengusuunad hõlmavad ka väikseid modulaarseid reaktoreid (SMR-id), edasist jäätmete ümbertöötlemist, kiirreaktorite uurimist ja suurendatud regulatiivset läbipaistvust. Tuumaenergia võib mängida rolli kliimaneutraalsuse eesmärkide saavutamisel tänu madalatele kasvuhoonegaaside heitmetele elektritootmisel, kuid sellega kaasnevad ohud ja kulud tuleb hoolikalt kaaluda.

Kokkuvõte

Tuumaenergia on võimas ja kontsentreeritud energiaallikas, mis võimaldab toota suures koguses elektrit väikese CO2-jäljega. Samas nõuab see rangeid ohutusstandardeid, vastutustundlikku jäätmekäitlust ja rahvusvahelist järelevalvet, et minimeerida tervise- ja keskkonnariske. Tulevikus võivad uued tehnoloogiad (nt tuumasüntees ja SMR-id) muuta valdkonda veelgi turvalisemaks ja paindlikumaks.

Õnnetused

On toimunud mõned tõsised tuumaavariid. Õnnetuste ohtlikkuse mõõtmiseks on koostatud skaala. Seda nimetatakse rahvusvaheliseks tuumaõnnetuste skaalaks. Skaalal on 8 astet (0-7) ja 7 on kõige halvem.

• Tšernobõli katastroof, juhtus 1986. aastal; klassifitseeritud 7. tasemele.
• Fukushima tuumakatastroof toimus 2011. aastal maavärina tagajärjel, tase 7.
• Majaki õnnetus; juhtus 1957. aastal. Vabanenud kiirguse kogus ja üldine oht oli suurem kui Tšernobõli puhul. Mõjutatud ala oli siiski väiksem. Neil põhjustel on õnnetus klassifitseeritud ainult 6. tasemele.
• Windscale'i tulekahju 1957. aastal ja Three Mile Islandi õnnetus 1979. aastal, tase 5.
• Tokaimura tuumaavarii 4. tasemel

Tuumaallveelaevade õnnetuste hulka kuuluvad nõukogude allveelaeva K-19 reaktoriõnnetus (1961), nõukogude allveelaeva K-27 reaktoriõnnetus (1968) ja nõukogude allveelaeva K-431 reaktoriõnnetus (1985).

2011. aasta Fukushima Daiichi tuumaelektrijaama avarii ajal Jaapanis said kolm tuumareaktorit plahvatuse tõttu kahjustada.

Hiljutised arengud

2007. aastal toodeti tuumaelektrijaamades umbes 2600 TWh elektrit ja 14 protsenti kogu maailmas kasutatavast elektrienergiast, mis tähendab 2 protsendi langust võrreldes 2006. aastaga. aasta 9. mai seisuga töötas maailmas 438 (372 GW) tuumareaktorit. Tipptase saavutati 2002. aastal, mil tegutses 444 tuumareaktorit.

Jaapani Fukushima Daiichi tuumaelektrijaamas ja teistes tuumarajatistes toimunud tuumaavarii tekitas küsimusi tuumaenergia tuleviku kohta. Platts on öelnud, et "kriis Jaapani Fukushima tuumajaamades on ajendanud juhtivaid energiat tarbivaid riike vaatama üle oma olemasolevate reaktorite ohutuse ning seadnud kahtluse alla kogu maailmas kavandatud laienduste kiiruse ja ulatuse". Pärast Fukushima tuumakatastroofi vähendas Rahvusvaheline Energiaagentuur 2035. aastaks ehitatavate täiendavate tuumaelektrijaamade võimsuse hinnangut poole võrra.

Surveveeanumate pead

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumaenergia?

K: Kuidas töötab tuumareaktor?

K: Kui suur osa maailma elektrienergiast saadi 2007. aastal tuumaenergiast?

K: Millised on tuumaenergia kasutamisega seotud võimalikud riskid?

K: Millist liiki alternatiivset energiaallikat on uuritud alates 20. sajandi keskpaigast?

K: Mille poolest erineb termotuumaenergia traditsioonilisest tuumaenergiast?

K: Kas termotuumareaktorid on juba saadaval?

Otsing