Kuidas töötab tuumaelektrijaam?
Tuumajaamades toodetakse 11 protsenti kogu maailma elektrienergiast. Mõnedes riikides on tuumaenergia osakaal kogu elektrienergiatoodangust väga kõrge, näiteks Prantsusmaal ja Leedus. Kogu maailmas on siiani ehitatud üle 400 tuumajaama.
Tuumajaamades kasutatakse kütusena enamasti uraani. Kuigi uraani leidub praktiliselt kõigi kivimite koostises, leidub seda kaevandamisväärses kontsentratsioonis vähestes kohtades. Näiteks Põhja-Eesti pankrannikul paljanduvat diktüoneemakilta saaks kasutada uraani tootmiseks, kuid selle liiga väikese suhtelise sisalduse tõttu poleks see mõistlik.
Lihtsustatult kirjeldades võib reaktoreid võrrelda aurumootoritega. Uraanivardad soojendavad vett, vee soojenemisest tekkinud aur liigutab turbiine, mis paneb omakorda tööle elektrigeneraatori.
BBC video: lihtne selgitus tuumareaktori tööst
Video on ingliskeelne
Uraan esineb looduses mitme teisendina, mille tuumas leidub erinev hulk neutrone. Neist olulisemad on U-238 ja U-235. Neist esimese poolestusaeg on väga pikk – 4,5 miljardit aastat ehk umbes sama palju kui Maa vanus. Seega on Maa moodustumisel selle koostises olnud uraani isotoobist massiarvuga 238 praeguseks pool veel alles. Uraan on radioaktiivne ehk aatomituumad kipuvad aja jooksul iseenesest lõhustuma. Kogu Maal leiduvast uraanist moodustab U-238 üle 99 protsendi. U-235 arvele langeb 0,7 protsenti. Ülejäänud isotoobid on veelgi haruldasemad.
Tuumakütuse ja tuumapommide valmistamisel pakub huvi just U-235, sest selle isotoobi abil on võimalik tekitada ahelreaktsioon. Kui üks U-235 tuum laguneb, vabaneb kaks kuni kolm neutronit, mis põhjustavad teist U-235 aatomit tabades omakorda selle kohese lagunemise. Tuumade lagunemise käigus vabaneb energia, mida on vaja tuumajaama käigus hoidmiseks. Tuumajaamas reguleeritakse lagunemisprotsessi nii, et ühe tuuma lagunemine tooks kaasa vaid ühe teise tuuma lagunemise. Seda nimetatakse kriitiliseks olekuks. Kui ühe tuuma lagunemine tooks kaasa vähem kui ühe tuuma lagunemise, sumbuks reaktsioon aja jooksul ning energiat ei saaks toota. Vastupidine olukord viiks aga reaktori ülekuumenemise ning halvemal juhul tuumaplahvatuseni.
Ühe aatomi lagunemisel tekkiv energiahulk on küllaltki väike, kuid aatomeid on ühes kilogrammis uraanis 2,5 kvadriljonit ehk tohutult palju, mistõttu saab sellest kogusest uraanist sama palju energiat kui mõnesajast tuhandest tonnist kivisöest.
Mis on rikastamine?
Ahelreaktsiooni alalhoidmiseks tuleb uraanimaaki rikastada. See tähendab seda, et U-235 osakaalu tuleb suurendada ning U-238 osakaalu vastavalt vähendada. Tuumajaamades elektri tootmiseks on piisav, kui maagis leidub U-235 ligikaudu kolm protsenti. Tuumapommi valmistamiseks peab aga U-235 moodustama uraanist üle 90 protsendi, mistõttu on tuumapommide valmistamiseks vajaliku uraani tootmine aeganõudev ja keerukas protseduur.
Kui tuumajaamades kasutatav uraan oleks õhukese plaadi kujuline, siis pääseks suur osa tekkinud neutronitest minema ilma uut lõhustumist esile kutsumata. Kõige optimaalsem kuju on sfäär, mistõttu kasutataksegi tuumajaamades tavaliselt ringikujulise läbilõikega uraanivardaid. Kriitiline mass (piisav kogus uraani, et reaktsioon ei sumbuks) jääb veidi alla ühe kilo.