Kuidas töötab tuumajaam

Eestiski on viimasel ajal hoogustunud debatt võimaliku tuumaelektrijaama ehitamise üle. Enne otsustamist, kas tuumajaama ehitamist pooldada või mitte, oleks kasulik teemat mingil tasemel vallata. Esimeseks sammuks sel teel on teha selgeks, kuidas tuumajaam töötab.

Uraan

Tuumajaamades kasutatakse kütusena enamasti uraani. See on maakoores võrdlemisi tavaline element, mida leidub praktiliselt kõigi kivimite koostises. Kaevandamisväärses kontsentratsioonis leidub seda elementi aga vähestes kohtades. Näiteks Põhja-Eesti pankrannikul paljanduvat diktüoneemakilta saaks kasutada uraani tootmiseks , kuid liiga väikse kontsentratsiooni tõttu poleks see mõistlik.

Uraan esineb looduses mitme isotoobina (erineva neutronite arvuga sama keemiline element), millest olulisemad on U-238 ja U-235. Neist esimese poolestusaeg on väga pikk – 4,5 miljardit aastat ehk umbes sama palju kui Maa vanus. Seega on Maa moodustumisel selle koostises olnud uraani isotoobist massiarvuga 238 pool tänaseks veel alles. Uraan on radioaktiivne ehk aatomituumad kipuvad aja jooksul iseenesest lõhustuma. U-238 moodustab kogu Maa uraanist üle 99 protsendi. U-235 arvele langeb aga 0,7 protsenti. Ülejäänud isotoobid on veelgi haruldasemad.

Tuumakütuse ja tuumapommide valmistamisel pakub huvi just U-235, sest selle isotoobi abil on võimalik tekitada ahelreaktsioon. Kui üks U-235 tuum laguneb, vabaneb kaks kuni kolm neutronit, mis tabades teist U-235 aatomit, põhjustavad omakorda selle kohese lagunemise. Tuumade lagunemise käigus vabaneb energia, mida on vaja tuumajaama käigus hoidmiseks. Tuumajaamas reguleeritakse lagunemisprotsessi nii, et ühe tuuma lagunemine tooks kaasa vaid ühe teise tuuma lagunemise. Seda nimetatakse kriitiliseks olekuks. Kui ühe tuuma lagunemine tooks kaasa vähem kui ühe tuuma lagunemise, sumbuks reaktsioon aja jooksul ning energiat ei saaks toota. Vastupidine olukord viiks aga ülekuumenemise ning halvemal juhul tuumaplahvatuseni.

Eralduvat energiahulka on võimalik arvutada, kasutades Einsteini valemit E = mc². Uraani lagunemisel tekkinud osakeste masside summa on väiksem kui terve uraani isotoobi mass. Lagunemise käigus kaduma läinud mass ongi vastavalt valemile muutunud energiaks. Ühe aatomi lagunemisel tekib küllalt väike energiahulk, kuid aatomeid on ühes kilogrammis uraanis tohutult palju, mistõttu saab sellest kogusest uraanist sama palju energiat kui mõnesajast tuhandest tonnist kivisöest.

Et tuumareaktsioon töötaks nii nagu vaja, tuleb uraanimaaki rikastada. See tähendab seda, et U-235 osakaalu tuleb suurendada ning U-238 osakaalu vastavalt vähendada. Tuumajaamadele on piisav, kui uraan on rikastatud umbes kolme protsendi U-235 sisalduseni. Tuumapommi valmistamiseks peab aga üle 90 protsendi uraanist olema U-235, mistõttu on tuumapommide valmistamiseks vajaliku uraani tootmine aeganõudev ja keerukas protseduur.

Kui tuumajaamades kasutatav uraan oleks õhukese plaadi kujuline, siis pääseks suur osa tekkinud neutronitest minema ilma uut lõhustumist esile kutsumata. Kõige optimaalsemaks kujuks on sfäär, mistõttu kasutataksegi tuumajaamades ringikujulise läbilõikega uraanivardaid. Kriitiline mass (piisav kogus, et reaktsioon ei sumbuks) U-235 saadakse kokku siis, kui sfääri mass oleks pisut vähem kui üks kilo.

Kuidas töötab tuumajaam. II osa

Kuidas töötab tuumajaam. III osa