Tuumareaktor: kuidas see töötab, tüübid, elektritootmine ja ohutus

Tuumareaktor: selge ülevaade tööpõhimõttest, tüüpidest, elektritootmisest ja ohutusest — ajalugu, riskid, eelised ning radioaktiivsete jäätmete lahendused.

Tuumareaktor on masin, mis kasutab soojuse tootmiseks tuumalõhustumist. On olemas erinevaid konstruktsioone, mis kasutavad erinevaid kütuseid. Enamasti on nende kütuste põhikomponentideks uraan-235 või plutoonium-239.

Enamikku tuumareaktoreid kasutatakse elektri tootmiseks. Tuumaelektrijaamades muudab reaktoris toimuvate tuumalõhustumisreaktsioonide soojus vee auruks. Seejärel kasutatakse auru elektriturbiinide käivitamiseks, mis toodavad elektrit. Nagu muud aurumootorid, võtavad turbiinid energiat auru liikumisest.

Mõnda reaktorit kasutatakse muudel eesmärkidel. Mõned reaktorid toodavad neutroneid teadusuuringuteks ja teised toodavad radioaktiivseid isotoope. Mõnes ülikoolis on väikesed tuumareaktorid, et õpetada üliõpilastele, kuidas reaktorid töötavad.

Esimese tuumareaktori ehitas 1942. aastal Enrico Fermi juhitud teadlaste rühm. See oli osa Manhattani projektist, mis vajas reaktori kütust aatomipommi valmistamiseks. Esimene tuumareaktor, millega toodeti elektrit, oli väike katsereaktor, mis ehitati Idahos 1951. aastal. See tootis vaid piisavalt elektrit nelja lambipirni jaoks.

Tuumareaktorite ehitamine on kallis, sest neil peab olema palju turvaelemente. Samuti on probleemiks reaktoritest tekkivate radioaktiivsete jäätmete suur hulk. Siiski toodavad nad odavalt elektrit ja ei saasta õhku. Mitmes tuumareaktoris on toimunud tõsiseid õnnetusi: Windscale (Ühendkuningriik) 1957, Majak (NSVL) 1957, Three Mile Island (USA) 1979, Tšernobõli (NSVL) 1986 ja Fukushima (Jaapan) 2011. Mure ohutuse pärast on piiranud tuumaenergia kasvu. Maailmas on umbes 437 reaktorit, mis toodavad umbes 5% maailma elektrienergiast.

Kuidas tuumareaktor töötab

Reaktoris toimub ahelreaktsioon: uraani või plutooniumi tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid, mis võivad omakorda lõhustada teisi tuumasid. Iga lõhustumisüritusega eraldub suures koguses soojust. Selle sooja kasutatakse jahutusvedeliku (enamasti vee) soojendamiseks ja auru tootmiseks, mis paneb käima turbiinid ja generaatorid.

Reaktori põhikomponendid

• Kütus: kütusepulbrid või -helbed (tavaliselt uraanoksiid) paigutatakse kütusevarrastesse.
• Moderator: aine (nt vesi, raskusvesi või grafiit), mis aeglustab neutroneid, et suurendada lõhustumise tõenäosust.
• Juhtvardad: tavaliselt boorist või tühimikust hafniumist materjalid, mida tõmmates või laskudes reguleeritakse reaktori võimsust, sest need neelavad neutroneid.
• Jahutusvedelik: eemaldab reaktoris tekkiva soojuse; võib olla vesi, raskusvesi, õli või hapnikuvaba gaas (nt CO2, He) või vedel metall (nt naatrium).
• Surveanum ja torustik: kannavad soojust reaktorist soojusvahetisse või aurugeneraatorisse.
• Kaitsekest ja sarkofag: paks betoonist ja terasest konstruktsioon, mis takistab radioaktiivsete ainete lekkimist atmosfääri.

Peamised reaktoritüübid

• Surveveereaktor (PWR): vesi toimib nii moderatorina kui ka jahutusvedelikuna ja hoitakse kõrge rõhu all, et vesi ei keeks reaktoris.
• Keetjereaktor (BWR): reaktori sees tekib aur otse turbiinile; ei kasutata sekundaarset ahelat nagu PWR.
• CANDU: kasutab raskusvett moderatorina ja võib toita loodusliku uraaniga.
• RBMK: suur, grafiidi moderatoriga Nõukogude disain (Tšernobõli reaktor oli RBMK-tüüpi).
• Kiirfissiooni või kiire neutroniga reaktorid (fast breeder): saavad toota rohkem kütust (plutooniumi) kui nad kulutavad, kasutades kiireid neutroneid ja tihti vedelmetallit jahutusvedelikuna.
• Uue põlvkonna ja väikesed modulaarreaktorid (SMR): eesmärgiks suurem paindlikkus, madalamad kulud ja parendatud passiivohutus.
• Uurimisreaktorid: väiksemad seadmed neutrontoodanguks ja radioisotoopide valmistamiseks.

Elektritootmise protsess

Üldiselt koosneb protsess kolmest etapist: (1) reaktoris tekib soojus tuumalõhustumisest, (2) soojust viiakse soojusvahetiga auruni või otse auruks, (3) aur pöörab turbiini, mis omakorda käitab generaatorit. Pärast turbiini läbib auru kondensaator, kus see jahutatakse tagasi vedelikuks ja suunatakse ringlusse.

Ohutus ja kaitse

Tuumakaitse põhineb põhimõttel «defence in depth» — mitmed sõltumatud kaitseliinid, mis vähendavad õnnetuse tõenäosust ja leevendavad tagajärgi. Peamised ohutussüsteemid hõlmavad:

• juhtvardasid ja automaatseid süsteeme reaktiivsuse kiireks vähendamiseks;
• hädajäätme jahutussüsteeme (emergency core cooling);
• passiivseid ohutussüsteeme, mis töötavad ilma välise elektri või inimese sekkumiseta;
• tugev kesta- ja viirastuskontroll, mis hoiab radioaktiivset materjali reaktori sees;
• hädaevakuatsiooni ja mõõtesüsteemid tuvastamaks lekkimist ja kiirgust.

Tõsised õnnetused (nt Three Mile Island, Tšernobõli, Fukushima) on näidanud nii disaini-, inim- kui ka looduslike riskide kombinatsiooni. Nende juhtumite järel on paljud riigid ja tootjad tõstnud nõudeid ohutusele, immuniseerides disainilahendusi ja protseduure.

Tuumajäätmed ja ringlussevõtt

Pärast töötamist muutub kütus radioaktiivseks ja vajab ohutut käitlemist. Peamised lähenemised on:

• Spente kütusevarraste hoiustamine: esmalt vees laagerdus basseinides, kus soojus ja aktiivsus vähenevad.
• Kuiv kaste (dry cask): pärast jahutamist hoitakse kulumisjärgset kütust tihedates teras- ja betoonsüdamikes.
• Ringlussevõtt: mõned riigid töötlevad kütust, eraldades reaktiivsed materjalid (nt plutoonium) uuesti kasutamiseks; see vähendab jäätmehulka, kuid tekitab keerulisi tehnilisi ja proliferatsiooniriski probleeme.
• Pikaajaline ladustamine: uuritakse geoloogilisi hoiukohti sügavustes, et tagada ohutu isolatsioon sajanditeks kuni tuhandeteks aastateks.

Eelised ja puudused

• Eelised: kõrge energiatihedus, madal tööstusmõõtmeline CO2-heitmete tase elektritootmisel, püsiv ja stabiilne elektritootmine ning võimalus tootmiseks ilma fossiilkütusteta.
• Puudused: kõrged alginvesteeringud, radioaktiivsete jäätmete pikaajaline haldamine, võimalikud õnnetused ja sotsiaalne vastuseis ning tuumarelva leviku riskid mõnedel tehnoloogiatel.

Mitteelektrilised rakendused

Tuumareaktorid võivad lisaks elektrile toota sooja kütteks (ettevõtete või linnade kaugküte), merevee desalinatsiooniks või kõrge temperatuuri protsesside (nt vesiniku tootmine) käitamiseks tööstuses.

Tulevik ja arengusuunad

Uued disainid keskenduvad ohutuse parandamisele, jäätmete vähendamisele ning majanduslikule konkurentsivõimele. Väiksemahulised modulaarreaktorid (SMR) ja järgmise põlvkonna kiire neutroniga reaktorid ning sulamisreaktorid (molten salt) on aktiivse arenduse all. Samuti on areenil uurimis- ja arendusprojektid, mis püüavad muuta tuumaenergiat paindlikumaks ja turvalisemaks ning vähendada reostus- ja jäätmeprobleeme.

Kuigi tuumaenergia roll on riigiti erinev ning avalik debatt selle kasulikkuse ja riskide üle jätkub, jääb see üheks tehnoloogiliseks võimaluseks süsinikuheitmete vähendamisel ja usaldusväärse elektrienergia tootmisel. Paljud eksperdid rõhutavad, et ohutus-, jäätme- ja mittelevimispoliitikad on edasimineku eeltingimused.

Küsimused ja vastused

K: Mis on tuumareaktor?

K: Kuidas toodab tuumareaktor elektrit?

K: Millist muud eesmärki täidavad mõned reaktorid?

K: Kes ehitas esimese tuumareaktori?

K: Millal kasutati esimest tuumareaktorit elektri tootmiseks?

K: Miks on nende ehitamine kallis?

K: Millised probleemid tekivad nende kasutamisel?

Otsing