Enn Realo, TÜ Füüsika Instituut

Esimene tuumareaktor

2. detsembril 1942 käivitas rühm teadlasi Itaalia füüsiku Enrico Fermi juhtimisel maailma esimese tuumareaktori. Chicago Ülikooli staadioni tribüüni alla ehitatud katseseadmes Chicago Pile No 1 teostati äärmise salastatuse õhkkonnas esimest korda inimese juhitav tuumalõhustumise ahelreaktsioon.

Selle saavutuse tegi võimalikuks paljude maade teadlaste eelnev töö ioniseeriva kiirguse, tuumamuundumiste ja tuumalõhestumise uurimisel, peamiselt 1930-ndate aastate lõpul. Ühtlasi sai tohutu energiahulga vabanemisel raskete tuumade lõhustumises neutronite toimel praktikas kinnituse A. Einsteini kuulus energia ja massi ekvivalentsuse põhimõte. Kuigi II Maailmasõja tõttu oli eesmärgiks tuumapommi tarvis plutooniumi tootmise seadme loomine, kinnitas selle katse edu ühtlasi rahumeelse tuumaenergia võimalikkust.

Sõja olukorras ja seose tõttu tuumarelva väljatöötamisega salastati rangelt kõik tuuma valdkonna uurimised ja arendused. Erandiks oli mõningane infovahetus USA ja Ühendkuningriigi vahel ning USA tuumasaavutuste spionaaž NLiidu kasuks. Tulemusena arendas iga suurriik tuumatehnikat oma vajaduste ja võimaluste piires iseseisvalt. Näiteks, käivitati NLiidu esimene reaktor F-1 Moskvas detsembris 1946 ja Ühendkuningriigi reaktor GLEEP Harwellis augustis 1947.

Kolmkümmend aastat Fermi reaktorist hiljem (1972) selgus, et inimene polnud siiski esimene tuumareaktori looja Maal. Juba 1,8 miljardit aastat tagasi käivitus looduses Oklo uraanirikastes settekivimites Aafrikas Gabonis vähemalt 17 tuumareaktorit. Need töötasid avariide ja olulise keskkonnasaasteta ning juhtisid end umbes miljoni aasta vältel, kuni lõpuks välja lülitusid.

Esimestele katsetele järgnenud arengud

Tuumarelvastuse ja sõjalaevade tuumajõuseadmete väljatöötamine soodustas ühtlasi mingil määral energiatootmiseks sobivate tuumareaktorite ja tuumkütusetsükli arengut. USA ja NL lõid tööstuskompleksid suurte ²³⁵U koguste rikastamiseks ja plutooniumi ²³⁹Pu tootmiseks, aga seega ka eeldused reaktorikütuste valmistamiseks. Katsetati erinevaid reaktoritüüpe - sõjalaevade ning Pu-tootmise reaktoritest arenesid välja hilisemad energiatootmise reaktorid.

Tuleviku tuumaenergeetika seisukohast omavad tähtsust 1940-1950-ndatel aastatel saadud tulemused tuumasünteesiks (kergete tuumade fusiooniks) ja selle hiiglasliku energia vabastamiseks vajalike tingimuste selgitamisel. Tol perioodil ja kuni viimase ajani leidis see teave kasutamist peamiselt ainult nn vesinikupommide arendamisel.

Tuumaenergia sihipärasest arendamisest ühiskonnale olulise baasenergia allikana soojuse ja elektri tootmiseks saab hakata rääkima alles pärast Teise Maailmasõja lõppu, 1950-ndatel aastatel. Tuumarelv oli demonstreerinud oma võimsust katsetusega Alamogordos ja sõjas Jaapaniga 1945. a. ning kätte oli jõudnud aeg selle energialiigi rahumeelseteks rakendusteks. Külma sõja tingimustes jätkus tegevus paralleelselt tuumarelvastuse suurendamisega eraldi kahel pool „raudset eesriiet“. Seepärast pole ime, et suurriikide paljud energiareaktorid olid pikka aega kaksikkasutusega ja teenisid elektritarbijate kõrval ka teist isandat – sõjatööstust.

Esimese tuumaelektri tootmine on dokumenteeritud 20. detsembril 1951, kui Idahos, USA, pani eksperimentaalne reaktor EBR-1 helendama neli 200 W lampi.

Esimene riigi elektrivõrku ühendatud 5 MWe võimsusega Obninski tuumaelektrijaam APS-1 avati 1954. a. NLiidus, kus rakendati vesijahutuse ja grafiitaeglustiga kanalreaktorit AM-1. See Pu-tootmise reaktorist arendatu sai prototüübiks hilisemale RBMK reaktorile; Lääne vaste sellel reaktoritüübil puudub.

Lennukikandja reaktor, mis kasutas rikastatud uraani ning mille aeglustiks ja soojuskandjaks oli vesi, oli prototüübiks tänapäeval kõige levinumale ja ohutumale surveveereaktorile PWR. Esimene sellise reaktoriga tööstuslik 60 MWe elektrit tootev jaam valmis 1957. a. Shippingportis, USA-s. Analoogiline NL reaktor VVER lasti käiku 1964. a. Novovoronežis. USA-s töötati välja teine levinud energiareaktori tüüp, keevveereaktor BWR, mille esimene tööstuslik 250 MWe variant Dresden-1 käivitati 1960. a.

Erinevalt kulges reaktorite areng Ühendkuningriigis, Kanadas ja Prantsusmaal. Peamiselt uraanirikastuse võimsuste piiratuse tõttu töötati välja looduslikul uraanil töötavad reaktorid. Kanadas loodi raskeveeaeglustiga CANDU reaktor. Ühendkuningriigis arendati grafiitaeglusti ja gaas-soojuskandjaga Magnox reaktor (Magnesium non-oxidising) ja hiljem rikastatud uraani kütusega täiustatud gaasjahutusega reaktor AGR, mis mõlemad sobisid nii energia- kui ka Pu-tootmiseks.

Ühendkuningriigi ja Läänemaailma esimeseks tööstuslikuks tuumajaamaks sai 1956. a. 50 MWe Calder Hall-1 Sellafieldis. Prantsusmaal alustati samuti Magnox-reaktoritega, kuid peagi mindi üle USA litsentsiga PWR-reaktorite ehitamisele.

Kui eelnimetatud, va EPR-1, on kõik aeglastel neutronitel töötavad reaktoritüübid, siis arendamist leidsid ka nn kiired (kiiretel neutronitel töötavad, so aeglustita) reaktorid FBR. Aastal 1963 alustas Newportis USA-s tööd FBR reaktor Fermi-1. NL tööstuslik variant BN-350 käivitati Ševtšenkos, Kasahstanis aastal 1972.

Reaktorite põlvkonnad

Praeguse klassifikatsiooni järgi loetakse Shippingport, Dresden-1, Magnox tuumareaktorid I põlvkonda kuuluvaks. Nende tüüpide edasiarendamise tulemusena saadi peamisteks ehitatavateks tüüpideks kujunenud II põlvkonna reaktorid: PWR/VVER, BWR, RBMK, CANDU, AGR. Esimeste reaktorite ekspluateerimise kogemused, järjest suurem vabanemine salastatusest (vähemalt Lääneriikides), suured tuumkütuse varud ja võimalus vähesest kütusekogusest stabiilselt baasenergiat toota lõid soodsa pinna tuumaenergeetika kiirele kasvule kuni 1980-ndate alguseni. Tuumaenergia osa kogu maailma elektritoodangust küündis juba 16-17 % ja on jäänud sellisele tasemele käesoleva ajani.

1970-1980-ndatel aastatel hakkas peamiselt USA-s ja Euroopa maades tuumaenergia areng uute jaamade ehitamise osas pidurduma ja see tendents jätkus kuni käesoleva sajandi alguseni. Oma osa oli kasvaval rahutusel radioaktiivsete tuumajäätmete pikaajalise ohutuse ja tuumarelvamaterjali võimaliku leviku suhtes, fossiilkütuste hinnatrendidel ning tuumajaamade avariidel, mis tekitasid ühiskonnas ja investeerijates vastuseisu tuumaenergia arendamisele.

Sellel perioodil toimusid suurimad vähestest tuumaenergeetikaga seotud avariidest: nullilähedase keskkonnamõju, kuid suure majanduskahjuga avarii Three Mile Islandi tuumajaamas USA-s 1979. aastal ja eriti RBMK-reaktori avarii Tšernobõli tuumajaamas Ukrainas 1986.a., kus majanduskahju saatis keskkonna ulatuslik radioaktiivne saastumine.

Järgnevatel aastatel karmistunud turvanõuete tõttu suurenesid hüppeliselt tuumajaamade ehituskulud, samas langes uraani hind ja konsolideerus selle turg. Uusi reaktoreid ehitati sel perioodil peamiselt ainult Aasia riikides, kus lähtuti India teadlase H.Bhabha väljendatud põhimõttest: „ükski energia pole energia puudumisest kulukam“ (i.k., no energy is more expensive than no energy).

Arendustööd ohutuse, võimsuse ja kasutusefektiivsuse suurendamiseks, kütuse paremaks ärakasutamiseks, jaamade julgeoleku ja pikema tööea kindlustamiseks on siiski jätkunud. Tulemuseks on II põlvkonna reaktorite olulised täiustamised ning järgmise III / III+ põlvkonna reaktorite, nagu ABWR, EPR, AP-1000, Advanced CANDU (jt) väljatöötamine. Näiteks ajavahemikul 1980 – 2002, kui uute ehitatud reaktorite arv vaevu asendas suletavate arvu, suurenes tuumaelektritoodang kütuse parema kasutuse ja muude uuenduste tõttu 60 %.

Tuumareaktorite põlvkonnad

Allikas: DoE, USA (http://gen-iv.ne.doe.gov)