Tuumkütus

Tuumkütus ehk aatomkütus (kõnekeeles ka tuumakütus) on materjal, mida kasutatakse tuumareaktorites energia tootmiseks. See koosneb laias laastus kolmest komponendist: reaktiivsest osast, tavaliselt uraanist, vahel lisaks plutooniumist ja teistest elementidest, metallkestast, mis eraldab kütust keskkonnast, ja reaktori tüübile sobivatest kinnitustest.
Tuumkütuse suurim eelis on väga suur energiasisaldus massiühiku kohta. Üks kilogramm levinuimat tuumkütust, rikastatud uraani, võrdub energeetiliselt 70–100 kilotonni kivisöega. Seega saab vastutustundliku käitlemisega vähendada keskkonna saastumist, võrreldes fossiilkütustega.
Tänapäeva tehnoloogia võimaldab energiat saada juhitava ahelreaktsioonina toimuva tuumalõhustumise tulemusena. Tavaliselt kasutatavad tuumkütused on uraan-235 ja plutoonium-239. Nende "põletamisel" reaktoris toimub ennastsäilitav ahelreaktsioon, mis on iga tuumaelektrijaama keskne osa. Iga üksiku aatomi lagunemisel eraldub reaktori tuumas kasulik soojus, väiksemad väga lühikese poolestusajaga radioaktiivsed kildtuumad ja keskmiselt 2–3 neutronit, mis omakorda kutsuvad esile uusi lõhustumisprotsesse.
Ülejäänud tuumkütusetüüpidest moodustavad kerged tuumad, mille liitumisel eraldub energia. Sel juhul on tegemist tuumaühinemise ehk tuumafusiooniga. Tuumaühinemise kasutamise korral termotuumareaktorites oleksid kütuseks kerged nukliidid, näiteks triitium (³H). Üks võimalus selle meetodiga energia tootmiseks on protsess, mille käigus deuteeriumi (vesiniku ühe lisaneutroniga tuum) ja triitiumi (kahe lisaneutroniga) ühinemisel eraldub 14,1 MeV, mida kannab tekkinud neutron, ja 3,52 MeV alfaosakese näol. Kasutuses on ka radioaktiivse lagunemise teel energiat tootvate radioisotoopiliste termoelektriliste generaatorite kütused, näiteks plutoonium-238.
Tuumkütuse tsükkel algab tooraine kaevandamisega maapõuest, jätkub rafineerimisega, rikastamisega, töötlemisega sobivale kujule, reaktoris kasutamisega ja lõpeb kasutatud kütuse teisaldamisega selleks ettenähtud ladestusjaamadesse või eelistatavalt ümbertöötlemisega ning taaskasutusega tuumajaamades. 21. sajandi alguses ladustatakse umbes pool kogu maailma reaktoritest tulevast kasutatud kütusest eeldusel, et seda ei töödelda kunagi ümber.

Füüsikalised põhimõtted

Tuumkütus põhineb massidefektil. Tuginedes Albert Einsteini poolt 1905. aastal välja pakutud energia ja massi ekvivalentsusele (E = mc²), avastati, et kergete tuumade liitumise ja raskete tuumade lõhustumisega peab kaasnema energia eraldumine. Kui kaks kerget tuuma liituvad, siis nende ühinemisel tekkinud uue osakese mass on väiksem kui esialgsete koostisosade omad kokku. See vahe massis on otseselt mõõdetav ja võrdeline erinevusega energias. See on arvutatav valemi ΔE = Δmc² abil.
Energia erinevust ΔE nimetatakse ka seoseenergiaks, mida tihti esitatakse seoseenergiana nukleoni kohta (osakese seoseenergia ΔE jagatud selle isotoobi nukleonide arvuga). Raskema tuuma lõhustumise korral eraldub energia samal põhimõttel, kuid tekkinud osakeste kogumass peab olema väiksem.
Kergeid ja raskeid tuumi eraldab element 56 ehk raud. Nimelt on raua seoseenergia nukleoni kohta kõrgeim võimalik, seega tema muundumisel peab energia hoopis neelduma. See seletab ühtlasi raua stabiilsust.
Tuumalõhustumise korral määravad neutroni neelamise tõenäosuse ära neutroni energia ja tuuma neutronneeldumise ristlõige mõõdetuna barnides (b = 10⁻²⁸ m²), mis sõltub otseselt neelatava neutroni energiast.
Tuumalõhustumise tõenäosust saab suurendada, vähendades neutronite kineetilist energiat. Sellel eesmärgil sihtmärgi temperatuurini jahutatud neutroneid nimetatakse termaalneutroniteks ja reaktoreid, mis seda efekti kasutavad, termaalreaktoriteks. Reaktoreid, mis kasutavad aeglustamata neutroneid, nimetatakse kiireteks reaktoriteks. Neutronite aeglustamiseks kõlbavad kõige paremini ained, mille aatomite mass on võrreldav neutronite endi omaga. Levinuimad moderaatorid, nagu neid nimetatakse, on grafiit, tavaline vesi ja kallimate projektide korral raske vesi.
Termotuumareaktsioonid ehk kergete tuumade liitumine on põhjus, miks tähed põlevad. Teoorias on see nähtus ülikõrge kasuteguriga ja palju ohutum tuumalõhustumistehnoloogiast. Samas on ennastsäilitava termotuumaprotsessi tekitamine ja juhtimine ülimalt keerukas. Peamine takistus on ülikõrge temperatuur ja rõhk.

Tuumkütuse kasutamisega kaasnevad ohud

Tuumkütuse kasutamisel on suurim oht keskkonda sattuda võiv radioaktiivne saaste. Kuigi selle vältimisele pööratakse tohutut tähelepanu, on see siiski alati võimalik ja sel põhjusel on paljud inimesed tuumkütuse kasutamisele vastu.
Kuna iga üksik aatom on võimeline kutsuma esile kaks kuni kolm uut lõhustumist, siis ilma välise sekkumiseta kasvaks protsessi kiirus plahvatuslikult. See võib sekundite jooksul viia kütuse sulamiseni ja tuumakatastroofini, nagu juhtus Tšornobõli katastroofis. Seetõttu tuleb jälgida, et iga lõhustumine põhjustaks keskmiselt täpselt ühe uue lõhustumise. See nõuab erimeetodite rakendamist, mis aitavad neutronite voogu kontrollida.
Enim levinud viis ahelreaktsiooni juhtimiseks (enamjaolt küll vaid alustamiseks ja lõpetamiseks) on kontrollvarraste paigutamine reaktori tuumas asuvate kütusevarraste vahele. Õnnetuste ennetamiseks on saanud tavaks, et kõigis reaktorites on passiivsed ohutussüsteemid. See tähendab, et jaama tehnilise rikke korral juhib reaktor end ise seisma.
Reaktoris muutub tuumkütuse keemiline koostis. Kuigi reaktorisse minev kütus ei erita kuigi palju rohkem radioaktiivsust kui looduslik uraan, siis pärast reaktoris töötamist tekitaks see kaitsmata inimesel üldiselt vähem kui 10 minutiga eluohtliku radiatsioonidoosi. Seetõttu on kasutatud kütuse teisaldamine üldsuses ärevust tekitav teema. Praeguse ajani on tavaks, et riik, kes valmis tuumkütust tarnib, on kohustatud olema võimeline ka samas mahus kasutatud kütust enda maa-alal ohutult ladustama.
Vähendamaks ohtlike jäätmete kogunemist, on välja pakutud reaktori töö käigus tekkinud väga radioaktiivsete ning seetõttu ohtlike aktinoidide (kõik peale U ja Pu) põletamine reaktorites.
Tuumaenergeetika laialdase leviku tõttu tuleb arvestada ohuga, et seda võidakse ära kasutada ebaeetilistel eesmärkidel. See seab piirangud plutooniumiga kauplemisele. Samuti võib arvestada, et sõjas on vastaspoole esimeseks sihtmärgiks just energiajulgeolek. Näiteks Iraani-Iraagi sõjas pommitati Iraagi ja Iraani tuumaobjekte. Lahesõja ajal kahjustasid Ameerika Ühendriikide väed 3 Iraagi tuumaelektrijaama ja üht uraanirikastusjaama. Nimetatud juhtudel saab vaid tänada inseneride oskust reaktori tuumasid kaitsta, kuna suurt tuumkütuse leket ei toimunud ühelgi juhul.

Kasutatavad elemendid

Eksisteerivad kaks peamist sõltumatut tuumkütuse tsüklit. Esimene neist, kasutatavam, põhineb uraanil. Selleks on mitu põhjust, millest ehk peamine on aastakümnetepikkuse kasutamise kogemus. Uraani põletamine on suhteliselt lihtne protsess ja selle tehnoloogia on juba põhjalikult välja töötatud. Samuti on uraan maakoores üpris laialt levinud ja selle maardlad on kõrge kontsentratsiooniga.
Teise tsükli keskne element on toorium. Tooriumi ainsa looduses esineva isotoobi toorium-232 poolestusaeg 14,05 miljardit aastat on suurem universumi vanusest. Siiski saab tooriumi neutronneeldumise abil muundada lõhustuvaks isotoobiks, täpsemalt uraan-233-ks, mille poolestusaeg on 159 200 aastat. Tooriumitsükli suurim toetaja ja arendaja on India, kelle valduses on veerand maailma tooriumivarudest.
Tuumasünteesi keskne element on vesinik. Potentsiaalselt on vesinik ja ta isotoobid kõige tõhusam inimesele tuntud energiaallikas. Kuigi põhimõtteliselt saab teistegi kergete tuumade liitumisel energiat toota, ei ole see kuigi levinud (näiteks liitiumi varud on piiratud).
Ülejäänud lähteained on kas nende elementide derivaadid, mõned neist kasulikud, mõned kahjulikud, või abimaterjalid, mis teevad tuumareaktorite ehitamise võimalikuks. Kuigi Aafrikas eksisteeris miljard aastat tagasi looduslik Oklo reaktor, kus vesi käitus moderaatorina ja käivitas väikesemahulise ahelreaktsiooni, on kontrollitava protsessi jaoks siiski tarvis väga spetsiifilist ja mahukat reaktorikompleksi. Tüüpiline tuumkütus sisaldab lisaks uraanile ja plutooniumile veel hapnikku, rauda, süsinikku ja teisi elemente. Keemiliselt puhast reaktorit ei ole võimalik ehitada.

Metallilised kütused

Metallilise kütuse suurim eelis on hea soojusjuhtivus, mis võimaldab ehitada suuremaid ja hõlpsamini hallatavaid kütuseklastreid või –plokke. Puudus on aga halb käitumine kõrgetel temperatuuridel. 662 °C juures toimub metallilises uraanis faasisiire alfaolekust beetaolekusse, millega kaasneb termaalpaisumine. Et vältida varraste purunemist, on tarvis kütuse temperatuuri hoida sellest tasemest allpool. Kuid arvestades, et metallilist kütust kasutavates reaktorites on jahutiks metalle oksüdeeriv süsinikdioksiid, peab varraste pinda hoidma allpool 450 °C. Vastasel korral muutub kasutatav materjal liigselt plastiliseks.
Metallkütuse varraste tuumaks on rikastamata uraan, milles sisaldub metallide, neist enim raua ja alumiiniumi jääke. Kõik see asub magneesiumi sulamist AL80 valmistatud kestas, mis on välja töötatud CO₂ oksüdeeriva mõju pidurdamiseks. Samas piirab selle pikaaegset hoiustamist vee all magneesiumi kalduvus veega reageerida.
Metallilised kütused on tänapäevaks aegunud tehnoloogia, kuid võimalik on nende taaskasutus seoses väljavaadetega uraanist ja plutooniumist tekkinud üliohtlike aktinoidide põletamiseks reaktorites.

Uraandioksiidil põhinev kütus

Uraandioksiidil (UOX, lühend ingliskeelsetest sõnadest uranium oxide) põhineb enamik moodsatest tuumaelektrijaamadest: nii keevveereaktorid (BWR, boiling water reactor), surveveereaktorid (PWR, pressurized water reactor) kui ka CANDU-tüüpi jaamad. Seda tüüpi kütust sisaldavad vardad peavad aga võrreldes metallilise kütusega olema suurema pinna ja ruumala suhtega, et kompenseerida halvemat soojusjuhtivust. Samas on oksiidil põhinev kütus tunduvalt vastupidavam kuumusele, sest ta on juba oksiidiks põlenud (siiski on võimalik tema edasine põlemine). Oksiidide kasutamiseks on üldiselt vaja uraani rikastada 3½–4%-ni.
Et oksiidil põhinevad kütusevardad peavad olema suhteliselt peened, võivad nad kõrgel temperatuuril puruneda. Selle vältimiseks on tarvis rohkem tähelepanu pöörata nende sobivale asetusele reaktorituumas ja tugevate kinnituste konstrueerimisele.
Tüüpiline oksiidil põhinev kütus ei erine kujult palju metallilisest. Peamine erinevus on kattematerjal. Magneesiumoksiidi asemel kasutatakse tsirkooniumi, mille eelis on väike termaalneutronite neelamisristlõige, või roostevaba terast. Uraanoksiid ise asub varrastes kokkusurutud ketastena.

Plutooniumdioksiidil põhinev kütus

Segaoksiidkütus (MOX, inglise keeles mixed oxide) sarnaneb uraanil põhinevaga, kuid sisaldab lisaks UO₂-le ka plutooniumdioksiidi. Peamine erinevus võrreldes UOX-iga seisneb selles, et MOX ei pea olema uraani suhtes rikastatud. Seega saab kasutada aretusreaktorites toodetud plutooniumi ja tuumajäätmetest eraldatavat uraani-238.
Tüüpiline segaoksiidkütus sisaldab 7% plutooniumdioksiidi, millest omakorda 60–65% moodustab plutoonium-239. Võrdluseks: tuumarelvades kasutatava plutooniumi rikastusaste Pu-239 suhtes on 90–95%. See takistab MOX-reaktorite ehitamise lubamist riikides, mida rahvusvaheline üldsus umbusaldab.

Keraamilised kütused

Veelgi vastupidavamad temperatuuri suhtes on keraamilised kütused. Samuti on nad oksiididest tunduvalt parema soojusjuhtivusega. Üks neist leiaks kasutust NASA-s välja töötatud reaktorites. See on uraannitriid U₂N₃, mille suurim viga on lämmastik-14 neutronmürgisus, mis tähendab, et kogu lämmastik peaks olema N-15. Lämmastik-14 neelab neutroni, kiirates ise prootoni ja muundudes süsinik-14-ks, mis omakorda beetalaguneb poolestusajaga 5730 aastat tagasi N-14-ks.
Paremaid perspektiive pakub uraankarbiid U₂C₃, mis oleks ideaalne kütus IV põlvkonna reaktorite tarvis, näiteks gaasjahutusega kiire reaktor.

Vedelkütused

Peale keraamiliste kütuste on olemas vedeltuumkütused. Põhjus, miks nende kasutamist kaaluda, on vastavate reaktorite tugev tagasiside, mis teeb nendest väga stabiilsed jaamad. Samas on lekke korral antud kütus väga kergesti dispergeeruv, mis teeb temast suure ohuallika.

Tooriumil põhinevad kütused

Praeguse seisuga on maailmas vaid viis töötavat tooriumil põhinevat elektrijaama, mis kõik asuvad Indias. Tooriumireaktoreid on katsetanud läbi ajaloo ka Saksamaa, USA, Suurbritannia (koostöös Rootsi, Norra ja Šveitsiga), Holland ja Kanada.
Tooriumi eelised uraani ees on tema laialdasem levik maakoores, paremad füüsikalised omadused ning väiksem plutooniumi ja aktinoidide tootlus. Nagu uraanigi, saab teda puhastatud toorel kujul kasutada termaalreaktorites, mille keskne reaktsioon on lõhustuva U-233 moodustumine neutronneeldumisel:
n + ²³²Th -> ²³³Th β-> ²³³Pa β-> ²³³U
Tooriumkütuse tootmine on üldiselt identne UO₂ kasutavate kütusevarraste tootmisega, ainult reaktandiks on ThO₂. Võrreldes uraandioksiidkütusega, on aga tooriumivardad parema soojusjuhtivusega, vastupidavamad kõrgete temperatuuride suhtes ja väiksema termaalpaisumiskoefitsiendiga. Veelgi enam, teoreetiliselt lõhustuks 98–99% tooriumist ²³⁵U või ²³³U juures. Seega oleks kasutatud tuumkütus võrreldes uraankütustega palju puhtam nii aktinoidide kui ka plutooniumi suhtes.

Vesinikul põhinevad kütused

Praeguse seisuga on vesinikul põhinevad elektrijaamad veel alles eksperimentaalfaasis. Kuigi selles vallas on tehtud viimase poole sajandiga tohutuid edusamme, prognoositakse tehnoloogia küpseks saamist alles 2050. aasta paiku. 2007. aastal ehitama hakatud ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Rahvusvaheline Eksperimentaalne Termotuumareaktor) on Lõuna-Prantsusmaale ehitatav eksperimentaalne tokamak-reaktor, mis plaani järgi valmib 2019. aastal, on järgmine teetähis tähtede jõuallikast arusaamisel.
Termotuumajaama keskne reaktsioon on olemuselt lihtne:
D + T = α (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
Massi kohta toodab deuteeriumi-triitiumi-protsess kolm korda rohkem energiat kui uraan-235 lagunemine. Samuti tekib sadu kordi vähem radioaktiivset saastet.
Vesinikkütuse kasutamine erineb oluliselt tooriumil ja uraanil põhinevatest tsüklitest. Termotuumareaktsiooniks vajaliku ülikõrge, 100 miljoni kelvinini küündiva temperatuuri ja vastava rõhu tõttu on kütus reaktorituumas plasmaolekus.
Tokamak-tüüpi reaktorites tiirleb kütuseplasma perioodiliselt tänu ülijuhtivate magnetite tekitatud solenoidaalsele magnetväljale toroidikujulises reaktorituumas. ICF (inertial confinement fusion ehk inertsiaalvangistusega tuumaühinemine) kasutab ära ülikõrgeid rõhke, kutsumaks esile termotuumareaktsiooni madalamatel temperatuuridel. Protsess on olemuselt identne tuumapommi sütikuga, kus kriitiline mass saavutatakse tuumamaterjali kokkusurumisel. Inertsiaalse tuumasünteesi tarvis osatakse koostada kütusekuulikesi, millest igaühes on ligi 10 mg vesinikkütust. Energeetiliselt oleks üks kuulike võrdne barreli naftaga.