Tuumaenergia

12. klass > Füüsika > 5. kursus: Mikro- ja megamaailma füüsika

Tuumareaktsioonid

Keemiliste reaktsioonide käigus muunduvad ühed reaktsioonist osa võtvad ained teisteks aineteks. Reaktsioonide käigus säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud aatomid:

119

Tuumareaktsioonide käigus muunduvad ühe keemilise elemendi aatomid (tuumad) teiste elementide aatomiteks (tuumadeks), säilivad kõik reaktsioonist osa võtnud nukleonid:

120

Raskete tuumade lõhustumine

Raskete tuumade lõhustumiseks ei loeta neid reaktsioone, mille käigus eralduvad ainult alfa- või beetaosakesed.

Raskete tuumade lõhustumisel lagunevad tuumad mitmeks väiksema järjekorranumbri ja massiarvuga tuumaks.

121

Esimese raskete tuumade iseenesliku lõhustumise avastasid 1938. aastal Saksamaa füüsikud Otto Frish ja Lise Meitner (mõnede allikate puhul nimetatakse esimesteks raksete tuumade lõhustumisreaktsioonide avastajateks Saksa füüsikuid Otto Hahni ja Fritz Strassmanni) – selle reaktsiooni käigus vabaneb 168 MeV (2,69•10-11 J) energiat ühe lagunemisakti kohta.

122

Ahelreaktsioon

Raskete tuumade lõhustumisel vabanevad neutronid võivad põhjustada järgmiste uraanituumade lõhustumist – seda nähtust nimetatakse ahelreaktsiooniks.

Kuna iga lõhustumisakti kohta vabaneb lisaks reaktsiooni esile kutsuvale neutronile kaks uut neutronit, suureneb ahelreaktsioonides lõhustuvate tuumade hulk geomeetrilises progressioonis.

123

Ahelreaktsioon saab käivituda, kui potentsiaalselt lõhustuda võivate tuumade hulk on piisav ehk ainekogus ületab teatava kriitilise väärtuse nö kriitilise massi.

Ahelreaktsiooni olemuse avab hästi juuresolev videosimulatsioon:

youtube_video

Tuumasünteesireaktsioonid

Ajalooliselt kõige esimene tuumareaktsioon viidi läbi 1932 a., kui pommitati liitium-6 tuumi deuteeriumi tuumadega. Tulemuseks saadi 2 alfaosakest ehk heelium-4 aatomituuma.

124

Kergete tuumade ühinemisreaktsioonide uurimise käigus avastati tehisradioaktiivsuse nähtus – see on nähtus, kus tuumade pommitamisel kergete tuumadega (H, D, He-4 jpt) tekivad radioaktiivsed isotoobid, mida looduses ei leidu.

Esimene tehislikult loodud isotoop oli fosfor-30:

84

Looduslikke stabiilseid isotoope on vaid 80 elemendil – kokku ca 260 tükki (keskmiselt 3,2 stabiilset isotoopi elemendi kohta). Radioaktiivseid tehisisotoope on tänaseks avastatud juba üle kaugelt üle 3000.

Tuumareaktsioonid ja energia

Nii raskete tuumade lõhustumisreaktsioone (fissiooni) kui ka kergete tuumade sünteesireaktsioone (fusiooni) ühendab asjaolu, et nendes vabaneb energiat, sest

  • reaktsiooni lähtetuumade seoseenergia on alati suurem kui tekkivatel tuumadel ehk
  • tuumareaktsioonide lähtetuumade seisumass tekkivate tuumade omast suurem või
  • tuumareaktsioonides muundub alati teatav osa massist energiaks.

Nende kolme asjaolu puhul on tegemist ühe ja sama nähtuse erineva vaatenurgaga.

Tuumarelv

1933 a. ennustas Ungari teadlane Leó Szilárd ahelreaktsiooni tekkimise võimalust ning ja patenteeris selle kasutamise idee tuumapommis ja tuumareaktoris. Detsembris 1938 avastavad saksa keemikud Otto Hahn ja Fritz Strassmann esimese uraanituuma iseenesliku lõhustumise baariumiks ja krüptooniks (O. Frisch ja L. Meitner jõuavad samale tulemusele 1939 a. jaanuaris ja esitavad täpsema teooria).

1939 a. käivitab USA valitsus nn Manhattani projekti eesmärgiga valmistada tuumaenergial töötav pomm. 2. detsember 1942 – kutsutakse Chicago ülikoolis valminud tuumareaktoris Enrico Fermi juhtimisel esile esimene ahelreaktsioon.

16. juuli 1945 viiakse USA-s Los Alamose kõrbes läbi esimene tuumapommi katsetus – Project Trinity, kus õhiti lõhkeseadeldis nimega The Gadget. Esimest korda kasutati tuumapomme lahingtegevuses 6. augustil 1945 aastal Hiroshimas, kui linnale heideti uraanipomm koondnimega Little Boy, teist ja viimast korda “lahingtegevuses” 9. augustil 1945 aastal Nagasakis, kus linnale heideti plutooniumipomm koondnimetusega Fat Man.

85

86

87

Tsaar-pomm (koopia-mudel)
Mass 27 000 kg
Pikkus 8 m
Läbimõõt 2,1 m
Plahvatusvõimsus 57 megatonni
Tuumakütus (tõenäoliselt):
50% plahvatuse energiast saadi U-235 lõhustumisest ja
50% energiast vesinikupommi plahvatusest

88

Tuumapommi plahvatama panemiseks kutsutakse esile U-235 (või Pu-239) ahelreaktsioon, seega peab pommis sisalduva “tuumalõhkeaine” mass olema suurem kriitilisest massist. Ahelreaktsioon vältimiseks soovimatul hetkel peab transportimise ajal olema “tuumalõhkeaine” mass kriitilisest väiksem ning muutuma kriitilisest massist suuremaks plahvatuse hetkel.

Selleks on 2 võimalust: (1) “tuumalõhkeainet” transporditakse kahes tükis, mis plahvatushetkel ühendatakse niinimetatud kahuritorumeetod (joonis vasakul); (2) “tuumalõhkeaine” ruumala hoitakse transportimisel kriitilisest suuremana ning plahvatuse hetkel see surutakse kokku vajalike mõõt¬meteni niinimetatud kompressioonimeetod (joonis paremal).

91

Ajaloo kõige suurema tuumapommi “Tsaar-pommi”, võimsusega 57 megatonni õhkis Nõukogude Liit 30. oktoobril 1961. aastal Novaja Zemlja saarestikus (vt videost plahvatust). Kokku on maailmas aastatel 1945 … 1998 tehtud üle 2000 tuumakatsetuse – USA – 1054 katsetust, Nõukogude Liit – 715, Prantsusmaa – 210, Suurbritannia – 45, Hiina – 45, India – 6 ning Pakistan – 6. Tuumakatsetusi on tehtud ja tuumarelv on ka Iisraelil, Lõuna-Aafrika vabariigil, Põhja-Koreal – aga vastavad väited on riikide poolt kinnitamata.

youtube_video

Viimane (ametlik) tuumakatsetus toimus: Nõukogude Liidus 1990, Suurbritannias 1991, USAs 1992, Prantsusmaal, Hiinas 1996 ja Põhja-Koreas veebruaris 2013. 10. septembril 1996 a. kirjutati ÜRO-s alla tuumakatsetuste täieliku keelustamise lepe (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty ehk CTBT), seda moratooriumit on rikkunud vaid Põhja-Korea, India ja Pakistan.

Tuumareaktor

Tuumareaktoris toimub juhitud ahelreaktsioon ning hoitakse ära selle kasvamine plahvatuseks. Esimene tuumareaktor käivitati 1942. aasta lõpus Chicago ülikoolis (USA). Esimene tsiviilkasutuses energia tootmise tuumareaktor – AM-1 (“Атом Мирный” vene keeles „rahumeelne aatom“) – käivitati 1954. aastal Moskva lähistel (Venemaa).

92

Tuumareaktori tähtsaimaks osaks on tuumakütus, mida hoitakse eriliste varrastena – igaühe mass väiksem kriitilisest, varraste mass reaktori piirkonnas kokku ületab aga kriitilise massi.

Reaktsiooni “rahulikuks” toimumiseks hoitakse ahelreaktsiooni käigus tekkivate neutronite arv kontrolli all eriliste juhtvarrastega, mis on valminud neutroneid neelavast materjalist ning aeglustist, et reaktoris tekkivad neutronid liiguksid sobiva kiirusega (liiga kiiresti liikuvad neutronid põrkuvad U-235 tuumadega ega lõhusta neid). Reaktoris vabanev seoseenergia, mis muundub peamisel soojusenergiaks, juhitakse reaktori töötsoonist välja spetsiaalse vedeliksärgi abil.

Tuumareaktoreid kasutatakse peamiselt elektrijaamades (aga ka laevadel) elektri tootmiseks.

Tuumaenergia senisest laialdasema kasutusele võtmise kasuks räägib jaamade suur väljundvõimsus ning asjaolu, et tuumakütuse varud on väga-väga suured. Ära ei saa jätta märkimata ka seda, et tuumajaamad ei tekita elektrienergia tootmisel kasvuhoonegaase.

Selle vastu räägivad aga tuumajäätmete utiliseerimise keerukus, uraani tootmisega seonduvad keskkonnaprobleemid ja ohud inimestele ning inimeste tohutu eelarvamus tuumaenergia suhtes, et „mis siis kui midagi läheb valesti“. Kartus võib olla põhjendatud, sest tuumajaamas toimuval õnnetusel on ülisuur kahjulik mõju väga pikaks ajaks küllalt suurele jaama ümbritsevale piirkonnale (fotol Tšernobõli tuumaelektrijaama IV plokk pärast seal toimunud plahvatust – tegu on inimkonna suurima tuumakatastroofiga Hiroshimale ja Nagasakile heidetud tuumapommide järel).

93

Kahtlemata ongi üheks tuumaenergia laialdasema kasutusele võtmise takistuseks ka võimalus, et tuumareaktorites tekkivatest jäätmetest valmistatakse tuumapomm või kasutatakse neid muul viisil massihävitusrelvana.

Termotuumarelv

Termotuumarelvaks ehk vesinikupommiks nimetatakse seadeldist, mis saab oma energia kergete tuumade sünteesireaktsioonis vabanevast seoseenergiast.

Termotuumareaktsioonide käivitamiseks on tarvis: (1) termotuumakütust (raske- (D) ja üliraske (T) vesiniku segu või liitiumdeuteriid) ning (2) väga kõrget temperatuuri, mis reaktsiooni käivitab.

Termotuumapommi tööpõhimõte: (1) esmalt pannakse plahvatama väike tuumapomm, millega luuakse piisavalt kõrge temperatuur, (2) seejärel toimub termotuumakütuse “plahvatus”.

94

Termotuumapommi plahvatuses vabanev energia on palju suurem kui tuumapommil. 1 kg termotuumakütuse reageerimisel vabanev energia on võrdne ca 65 miljoni tonni tavalõhkeaine plahvatusel vabaneva energiaga (65 MTNT).

Esimene termotuumapomm – “Ivy Mike” (vt videot) – õhiti 1952 aastal USA-s.

youtube_video

Termotuumareaktor

Termotuumareaktsioonide käivitumise tingimuseks on aineosakeste ülikõrge temperatuur – TOKAMAK-seadeldises ehk termotuumareaktoris (“тороидальная камера с магнитными катушками” – magnetpoolidega toroidkamber) on temperatuur umbes 100 mln kraadi. Sellisel temperatuuril on aine täielikult ioniseeritud olekus (plasma) ning tema olek on äärmiselt ebastabiilne.

TOKAMAK-seadeldises olev plasma, mis on ümbritsetud peaaegu täieliku vaakumiga ning „vangistatud“ ülitugevasse magnetvälja – tänu sellele garanteeritakse, et plasma ei puutu kokku reaktori osadega, sest mis tahes materjal aurustuks/sublimeeriks nii kõrge temperatuuriga kehaga kokku puutudes silmapilkselt.

95

Termotuumareaktori kütuseks on deuteeriumi- ja triitiumi (raske ja üliraske vesinik) segu. Paraku peame tunnistame, et vaatamata oma perspektiivsusele ja tohutule energiale, mis sünteesireaktsioonides eraldub, kulub plasma stabiilsena hoidmiseks ja vajaliku temperatuurini kuumutamiseks veel rohkem energiat, kui reaktsioonides vabaneb.