Aeg-ajalt kostub tuumaenergiast huvitatute seast küsimusi: miks ikkagi ei võiks Eesti kaaluda mõnd teist tehnoloogiat kui vana hea keevaveereaktor? Tehnoloogiaportaalides levib ju järjepidevalt uudiseid mitmesugustest uudsetest lahendustest – alates tooriumist ja IV põlvkonna reaktoritest kuni tuumsünteesireaktoriteni.

Nn uutel ja põnevatel lahendustel on paberil sageli isegi rohkem eeliseid kui kõige moodsamatel, reaalselt töös olevatel tuumajaamadel. Ka Leedu andis teada, et alustavad väikereaktorite uurimist niinimetatud neljanda põlvkonna reaktoritest – etapist, mille Fermi Energias koos kogenud rahvusvaheliste partneritega läbisime 2020. aastal.

Meiegi lootsime, et uute tehnoloogiate areng toimub kiiremini ja sujuvamalt, kui see tegelikkuses kujunes. Seda mõistes saime aru, et kui tahame pakkuda Eesti energiamurele parimat võimalikku lahendust, mitte vaid lootust, tuleb tähelepanu hoida tegelikult edasi liikuvatel arendustel ja projektidel, mitte ainult uute tehnoloogiate reklaambrošüüridel. "Parim võimalik" tähendabki täpselt seda – parimat nende seast, mida on võimalik ellu viia.

Vahel räägitakse unistavalt fusioonist, tooriumist, sulasoolast, kiiretest reaktoritest (sic!) ja muudest tehnoloogilistest lahendustest, hoomamata, kui ebarealistlik on lähikümnenditel nende laialdane kasutamine energiatootmiseks. Teen lühikesed kokkuvõtted, kuid alustame ikkagi uraanil põhinevatest tehnoloogiatest, millele teemasse vähem pühendunud tuumahuvilised alternatiive kipuvad pakkuma.

Väide, et uraanijaamad on aegunud tehnoloogia, on eksitav. Uraankütust kasutavad jaamad on maailmas jätkuvalt konkurentsitult tuntuimad ja levinuimad. Just kogemus on see, mis teeb tehnoloogiad kasutatavaks ja kasulikuks. Kokku on seda praeguseks kogunenud enam kui 20 000 reaktor-aastat. Kümnendik maailma ja ligi veerand Euroopa elektrist toodetakse just sellistest jaamadest. Kindlate tootmisvõimsuse arvestuses on tuumaenergia kindel liider.

Kaasaegne tuumaenergeetika liigub aga väiksemate reaktorite suunas. Peamine põhjus selleks on nende paindlikum sobitumine elektrisüsteemidesse ja rajamiskindlus. Ajalooliselt on tegemist ühe ohutuma ja puhtama energia tootmise viisiga.

Väikesed moodulreaktorid (SMR-id), mille hulka kuulub ka Fermi Energia kavandatav GE Hitachi BWRX-300, põhinevad täiustatud, ohututel ja turvalistel tehnoloogiatel. Väiksema võimsusega reaktorid on loodud olema nii ohutud kui võimalik, kasutades passiivseid kaitsesüsteeme, mis ei vaja välist elektritoidet ega aktiivset sekkumist, tagades ohutuse ka äärmuslikes tingimustes.

Uraankütustega jaamade tugevuseks on ka ökonoomika. Fossiile või biomassi põletavate jaamade elektri hinna määrab peaasjalikult fossiilkütuse maksumus ja heitmetega seotud tasud. Tuumajaamade puhul on peamiseks kulukomponendiks jaama ehitus.

Jah, tuumaelektrijaama alginvesteering on suur, kuid eluea jooksul saavutatav elektrihind see-eest konkurentsivõimeline, planeeritav, stabiilne ja ilmast sõltumatu, mida nt tuule- ja päikeseenergia ei suudeta tagada. Kütus moodustab tuumaelektri hinnast kõigest u 25 protsenti. Tuumaenergia suur alginvesteering aga tagab soodsad elektrihinnad mitmeks aastakümneks, nagu Soomes ja Rootsis.

Õigustatult küsitakse n-ö konventsionaalsete tuumajaamade jäätmete kohta, sest vastutustundlik energiatootrmine peab vastutama ka oma jäätmete eest. Miskipärast on levinud arvamus, et radioaktiivseid jäätmeid tekib ainult uraani kasutavates jaamades, mitte näiteks fusioonireaktorites, sulasoolareaktorites või kütusena tooriumi kasutades.

Tegelikkuses on töötavate tuumajaamade jäätmete ohutuks ladustamiseks ja lõplikuks hoiustamiseks maailmas olemas tehnoloogiad ja strateegiad. Needon saanud heakskiidu rahvusvahelistelt tuumaenergia agentuuridelt ning mida edukalt rakendatakse näiteks Soomes ja Rootsis. Sellised lahendused tagavad, et tuumajäätmed ei ohusta inimesi ega keskkonda ei lühi- ega pikaajaliselt. Põhjamaade kogemusel põhinevaid lahendusi on võimalik kaaluda ka Eestis.

Kodutöö tuleb ära teha

Tuumaenergeetikuna olen aastate jooksul pidevalt jälginud olukorda erinevate kütuste ja tehnoloogiate osas. Olgu need siis reaktorite IV põlvkond, termotuum, nitriidkütused või toorium. Olen täheldanud, et arusaam tuumaenergeetika praktilisest kasutamisest muutub valdkonna teadmiste kasvamisel. Põgusal pealevaatamisel tundub, et termotuumaenergia on kohe-kohe käes.

Veidi enam uurides tunduvad innovaatilised IV põlvkonna reaktorid käegakatsutava lahendusena. Kui eesmärk on aga kindla, konkurentsivõimelise hinnaga, kliimaneutraalse elektri tootmine eesmärkidega vastavas ajaraamis ja õppetunnid läbitud, selgub, et teada-tuntud nn tavalised ehk lõhustumisreaktsioonidel põhinevad reaktorid on ainus tee.

Tuumasüntees

Väitel, et tuumasünteesireaktorid, nt ITER või vesinik-boori süntees, on juba või peagi valmis asendama tänapäevaseid uraanipõhiseid jaamu, puudub tugev alus. Nii tuumade lõhustumine ehk fissioon (raskete tuumade lõhkumine neutronite kaasabil) kui ka tuumade ühinemine ehk termotuumareaktsioon ehk fusioon (kergete tuumade ühinemine kõrge energiaga kokku põrgatamisel) avastati mõlemad 1930. aastatel.

Kui tuumade lõhustumise tehnoloogia võeti energia tootmiseks kasutusele koheselt pärast teist maailmasõda, siis termotuumaenergeetika on tänapäevani, peaaegu sajand hiljem, jätkuvalt peamiselt teadusasutuste pärusmaa. Viimane on paberil paljulubav ja edasised uurimised väärivad kindlasti toetusi ning projektid investeeringuid. Eraettevõttedki, kes on asunud termotuumasüsteeme arendama, tegelevad tänini süsteemi osade katsetamisega ja koostöös teadus- ja uurimisasutustega.

Tervikliku ja majanduslikult konkurentsivõimelise lahenduse saavutamine jääb optimistlikelgi hinnangutel vähemalt kümnete aastate kaugusele. Tuumasünteesi keskne probleem, mida püütakse endiselt lahendada, on sisuliselt maapealse Päikese loomine. Seda on püütud juba 1970. aastatest alates.

Maapealse tähe loomiseks kasutatakse peamiselt tokamakke ja stellaraatoreid. Tokamak on süsteem, milles plasma hoidmiseks vajalik magnetväli tekitatakse nii väliste mähiste kui elektriliselt laetud plasmavoo endaga. See on konstruktsioonilt lihtsam, kuid stabiilne plasma hoidmine on keerulisem.

Stellaraator on süsteem, kus plasma hoidmiseks vajalik magnetväli tekitatakse täielikult väliste mähistega. See on ehituslikult keerulisem, sest ülitäpsus projekteerimisel ja valmistamisel on kriitiline, kuid võimaldab eelduslikult paremat plasma juhtimist. Lisaks katsetatakse laseritel põhinevaid tehnoloogiaid, nt National Ignition Facility Lawrence Livermore National Laboratory, USA-s.

Suurimate saavutustena on tekkinud katsetes napilt kaks korda rohkem energiat kui protsessi sisse pannakse (NIF) ja sekundid hoitud kõrgtemperatuurset plasmat (nt WEST Prantsusmaal, Commonwealth Fusion Systems USA-s, KSTAR Koreas). Kusjuures, laserkiirte tekitamiseks kulus NIF-is u 100 korda rohkem energiat ehk protsessi koguefektiivsus on ikkagi alla ühe protsendi.

Lisaks tuleb elektri tootmiseks keeruliselt toodetud soojusenergia jätkuvalt kinni püüda ja turbiin-generaatoris traditsioonilisel kombel kasulikuks muundada. Taaskord kadudega, samuti pole see tehnoloogia jäätmevaba. Ka fusioonireaktori tugevas neutronvoos tekib saastunud materjale. Süsinik neelab triitiumi nagu käsn, volfram tahab ise plasmasse sulada jne ning kütuse (deuteerium, triitium, liitium) kättesaadavusest ja hinnast ei jõua siinkohal rääkidagi. Tuumasünteesil põhinev energia on võrreldamatult keerulisem kui tavaline tuumaenergia.

Termotuumaenergia iduettevõtted

Termotuumaenergia Tööstusühenduse andmetel on valdkonna ligikaudu 50 iduettevõtet kaasanud tänaseks 7–8 miljardit dollarit erakapitali. Mõned näited siinkohal.

Aastal 1998 asutatud TAE Technologies on kaasanud 1,3–1,8 miljardit dollarit ning arendab Field-Reversed Technology (FRT) lineaar-reaktorit ja masinõppe mudeleid plasmasüsteemide optimeerimiseks. Neutronvaba vesinik-boor tsükkel, et vähendada radioaktiivseid jäätmeid. Testreaktor Norman (2017) on saavutanud 75 miljoni kraadist plasmat. 2022. aastal alustas Copernicus demoreaktori ehitust, mis peaks valmima 2025. aastaks ja suutma hoida üle 100 miljoni kraadist plasmat. 2030, aastatel on plaan käivitada Da Vinci pilootreaktor.

Helion Energy asutati 2013. aastal, on kaasanud enam kui miljard dollarit, teinud 12 aastat katseid ja ehitanud prototüüpe, et rajada 50 MW võimsusega reaktor. Helion tegi kokkuleppe Microsoftiga lubades tarnida energiat aastat 2028. Selleks peaks reaktor olema juba praegu loamenetluses ja ehituses, aga ei ole.

Commonwealth Fusion Systems on MIT plasmateaduse töörühma spin-off ja kaasanud üle kahe miljardi dollari. Nende SPARC tokamak-reaktor peaks tööle hakkama aastal 2026. Ettevõte testis maailma suurimat ülijuhtivat magnetsüsteemi, mille tekitatava välja tugevus ulatub 20 teslani. Kommertslik tokamak-ARC peaks valmima 2030. aastate alguseks. 200 MW elektriostu eelleping on tehtud nende varasema investori Google'ga. Ka neil on jätkuvalt veel palju tõestada, et süsteem suudab rohkem elektrit toota kui tarbib.

Proxima Fusion asutati 2023. aastal. Max Plancki plasmafüüsika instituudi spin-off on kaasanud rekordilised u 200 miljonit eurot. Ettevõttel on kavas ehitada esimene stellaraatoril põhinev kommertsreaktor Stellaris 2030. aastatel. Arendus põhineb maailma suurimal katsestellaraatoril Wendelstein 7-X, mille rajamiseks on kulunud 18 aasta jooksul üle miljardi euro.

Aastal 2019 asutatud Type One Energy on Wisconsin-Madissoni ülikooli spin-off ja kaasanud u 100 miljonit dollarit. Type One tugineb uutel füüsikalistel arvutustel ja töötab koostöös USA energiaettevõtte TVA ja Oak Ridge'i riikliku laboratooriumiga stellaraatori katseprojekti Infinity One kallal. Eesmärk on toota teadmisi tuleviku Fusion Pilot Plant (FPP) jaoks.

Need on vaid mõned näited näiliselt kommertspotentsiaaliga, kuid täna siiski sügavas katsetamise ja kontseptuaalsete lahenduste maailmast.

Tooriumreaktorid

Tooriumreaktorite suuremad probleemid on seotud kütusetsükliga. Kütuste valmistamine on keerukam ja reaktori käivitamiseks on ikkagi tarvis tavalist uraani. Töö käigus tekib jällegi uraan, ka plutooniumi. Jäätmete radioaktiivne jalajälg on suurem, sest tekivad isotoobid nagu protaktiinium-231, uraan-232 jt, mis kiirgavad tugevamat gammakiirgust ja vajavad paremat varjestust. Tooriumkütusel töötavad sulasoolareaktorite jäätmed aga on keemiliselt agressiivsemad.

Pole olemas standardiseeritud tooriumkütuse jäätmete käitlusskeemi, mis oleks pikaajaliselt praktikas töötanud. Tooriumi kasutamine vedela kütusega reaktorites pakub väidetavalt neile probleemidele osaliselt lahendusi, kuid edukad näited puuduvad.

Neid ei leia ka ajaloo prügikastist. Tõsi, Hiinas käivitati eelmisel aastal eksperiment, kus sulasoolareaktorisse TMSR-LF1 pandi tooriumi ja 10 tööpäeva jooksul tekkis ka protaktiinium-233, mis laguneb kasulikuks uraan-233'ks suhteliselt aeglaselt – füüsika töötab.

Tooriumreaktorite kommertskasutuseks tekib tugevam alus kunagi siis, kui uraankütuse kättesaadavus langema peaks hakkama. Praegu pole aga uraani kättesaadavuse lõppemist näha.

Kokkuvõte

Seega puuduvad nii tooriumtsüklil kui ka tuumasünteesil põhinevate reaktorite puhul tarneahelad, tööstuskogemus, kommertstehnoloogia kuluhinnang ja eksperimentidest kaugemale jõudnud projektid. Enam kui 50 rikkaliku rahastuse saanud iduettevõtet pole veel edu garant. Valdkonnal tasub aga jätkuvalt silma peal hoida jaakadeemilise uurimistööga jätkata.

Kõige tõhusam meetod selleks on Eesti akadeemilisel sektoril vastavate tehnoloogiate teadus- ja arendustegevuses ise osaleda. Vanasse kaevu ei maksa siiski sülitada enne, kui uus valmis. Lähitulevikus ning keskpikas vaates on sobivaimad lahendused energiajulgeoleku, kliimaneutraalsuse ja taskukohase elektrihinna saavutamiseks jätkuvalt juba läbiproovitud, tõestatud ja kasutusvalmis tänapäevased tuumatehnoloogiad.