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: mark.westra@efda.org

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