Tuumasünteesi ABC
''See on ikka parasjagu hullumeelne projekt. See ei olegi isegi niivõrd mingisugune teaduslik programm, sest programm ei pea lõppema mingi positiivse tulemusega, aga see on maha pandud, peab lõppema positiivse tulemusega,'' märkis TÜ füüsika instituudi dotsent Matti Laan saates ''Pealtnägija''.

Põhjuseid võib otsida ajaloost. Prantsusmaale rajatav reaktor põhineb juba 1950. aastatel Nõukogude Liidu teadlaste poolt leiutatud sõõrikukujulisel masinal. Nn tokamak võimaldas ülitugevate magnetitega isoleerida ja kontrollida plasmat. Elektriliselt laetud osakesi, mille maalähedaseks näiteks on tiku põlemisel nähtav leek.

Tuumafüüsikud leidsid peagi, et piisavalt tugevate magnetväljade abil saaks jäljendada isegi Päikesel toimuvaid protsesse – panna liituma vesiniku aatomite tuumad. Tähtede ja piiramatu pea tasuta energia Maale toomine näis olevat käeulatuses. Unistused aga ei täitunud. Vähemalt kulus tuumade liituma panemiseks ja plasma 100–200 miljoni kraadini kütmiseks rohkem energiat, kui tagasi saadi või vaid veidi rohkem. Lahendus – oluliselt suurem reaktor.

"Kavandasime ITER-i skaalal, mille puhul saame ennustada, et toodame tuumasünteesil kümme korda rohkem energiat, kui sisse paneme. ITER-is kasutame plasma kuumutamiseks umbes 50 megavati jagu energiat ja meie ennustused näitavad, et peaksime tootma umbes 500 megavatti tuumasünteesi-energiat,'' selgitas ITERi plasmajuhtimise osakonna direktor David Campbell.

Mõnes mõttes paneb katseline tuumasünteesireaktor seega proovile kogu tokamaki-kontseptsiooni elujõulisuse. Potentsiaalset kasu on raske ülehinnata. Tuumade liitumisel vabaneb miljon korda rohkem energiat kui keemiliste reaktsioonide – näiteks põlemise – käigus.

''Kui võtta näiteks 1000 MW elektrijaam, siis sütt kasutades kuluks seda aastas kümme miljonit tonni, sama võimsuse tuumasünteesitehnoloogiaga saavutamiseks läheb tarvis 350 kilogrammi vesinikku, nii et vahe on väga selge,'' sõnas ITER-i peadirektor Bernard Bigot.

Lisaks saab tuumasünteesireaktoris rakendust leidvaid vesiniku teisendeid eraldada mereveest. ''Peamine eelis on, et kütus on jaotunud üle kogu maailma väga-väga laialt. Tegu on vesiniku aatomitega ja seda (kütust) jätkuks seda inimkonna praeguste vajaduste juures miljoniteks aastateks,” lisas Bigot. Teisi sõnu, enne jõuaks Päike kustuda, kui tarvilik ressurss Maal otsa lõpeks.

Samas ei saa mööda vaadata asjaolust, et projekti eelarve on alates 2006. aastast hüppeliselt kasvanud. Kui algselt loodeti hakkama saada viie miljardi euroga, siis peagi nähti realistlikuma summana 15 miljardit eurot. Novembris toimunud kohtumisel nenditi ametlikult, et projekt on graafikust kuus aastat maas. Plasmat võib reaktoris näha parimal juhul alles 2025. aastal. Viivis kergitab projekti maksumust veel ligikaudu kaks miljardit eurot.

Möödunud aastal märkis projekti eelnevalt eest vedanud Osamu Motojima väljaandele NatureNews, et projekt ei jää eales ellu, kui selle valmimistähtaeg lükkub 2025. aastast kaugemale. Süstemaatilised teadusuuringud algavad uue graafiku kohaselt tõenäoliselt aastal 2028.

Laseriga reaktorit mõõtma
Ehkki tuumasünteesireaktori tööpõhimõte on võrdlemisi lihtne, ei saa sama öelda tuumade liitmist võimaldava tehnoloogia kohta. Paljusid ITER-is rakendust leidvaid tehnilisi lahendusi pole veel isegi lõpuni välja mõeldud. ''Suur probleem, mille kallal oleme viimasel ajal töötanud, puudutab seda, kuidas kontrollida plasma ja sulustamisanuma seinte vahelisi vastastikmõjusid,'' nentis Campbell.

Parafraseerides Matti Laant, plasma temperatuur ulatub saja miljoni kraadini. Sellest paari sentimeetri kaugusel asuva seina temperatuur ei tohi aga tõusta kõrgmale kui tuhat kraadi. ''Eestlaste roll ongi testida seda seina, et kas sellega on midagi head või halba juhtunud (ning) kas plasma mõjutab seda seina ja kuidas see mõjutab,'' selgitas Tartu ülikooli füüsika instituudi vanemteadur Peeter Paris.

Kui praegu käib kambri seinte seire tagantjärgi, siis eestlaste testitav lahendus lubab teha seda reaktorit seisma panemata. ''Me suuname laserikiire reaktori seinale. Väike kogus materjali aurustub, hakkab (valgust) kiirgama ja meie registreerime spektri,'' lisas Paris.

Kuna iga aine kiirgab sellele energiat andes veidi erinevat värvi valgust, saab reaktori seintes asuvate väikeste kaudu mõõteseadmetesse jõudva valguse alusel küllaltki hästi oletada, mis reaktori seintega parasjagu toimub. Tegu on ettevaatusabinõuga. Reaktoriseintesse satub aja jooksul kergelt radioaktiivset tuumakütust – triitiumi. Seintesse ladestuv triitiumi kogus ei tohiks ületada Prantsusmaal kehtivaid eeskirju.

Ulmelised materjalid?
Eestlaste panus ei piirdu vaid reaktori seisukorra hindamiseks tarvilike meetodite arendamisega. Tartu ülikooli materjaliteadlased otsivad ka uusi materjale, mis suudaks trotsida tuhandete kraadideni ulatuvat temperatuuri ning oleks seejuures ka võimalikult pikaealised. Võib öelda, et hetkel spetsiaalselt elektri tootmiseks mõeldud tuumasünteesireaktori sisemusse sobivaid materjale ei eksisteeri

Üheks kõige ulmelisemaks teadlaste laual olevaks teemaks on läbipaistev iseparanev keraamika, mida kasutataks muu hulgas reaktori akendes. ''Tegelikult on vaja luua täiesti uut tüüpi materjalid. Neid praegu nimetatakse siin ja seal self-healing materials ehk iseparanevateks materjalideks,” selgitas TÜ materjaliteaduse osakonna vanemteadur Eduard Feldbach.

Kuigi iseparanevad materjalid võiksid kuuluda kõla poolest veel fantaasia valdkonda, on nende väljatöötamine järgmise, kava kohaselt 2050. aastast stabiilselt elektrit tootva katsereaktori jaoks hädavajalik. ''See on realistlik plaan. DEMO jaoks on meil vaja iseparanevaid materjale,'' kinnitas Feldbach.

---
Rahalises mõttes on Eesti osaluse maksumust miljardiprojektis raske mõõta, sest panustatakse läbi Euratomi. Kõigi tuumasünteesi uuringute peale on Eesti kulutanud viimase kaheksa aasta jooksul umbes miljon eurot. Alusuuringute käigus on sündinud muu hulgas mäetööstuses rakendamiseks sobiv kiiranalüüsi meetod.

Ent unustada ei saa ka eestlaste panust tähtede maapeale toomises. ''Natuke sentimentaalseks minnes, me oleme lihtsalt ühe tohutu pika ahela osad ja ka ma arvan, et me oleme see vajalikud ahela lülid,'' sõnas Matti Laan.