Üldjoones on tööpõhimõte lihtne – vaja läheb vaid õiges koguses tuumakütust ehk materjali, milles saab toimuda tuumade lõhustumine, seada see materjal „õigesse asendisse“, luua tingimused ahelreaktsiooni käivitumiseks, ning seejärel hoida reaktsioon töös. Aatomituumade lõhustumisel eraldub energia, mis soojendab ümbritsevat materjali – veereaktorites kütusevardaid ja vett. Tekib veeaur, mille abil hakkab pöörlema turbiin ja selle külge ühendatud generaator, mis toodab elektrit.

1. Reaktor
2. Juhtvardad
3. Tuumkütus
4. Auru generaator
5. Turbiin
6. Turbiin
7. Elektri-generator
8. Transformaator
9. Kondensaator
10. Jahutustorn

Looduslik uraan koosneb kahest isotoobist: 99.3% on U-238 ja 0.7% on U-235. Enamikes tuumaelektrijaamades kasutatakse kütusena nn madalrikastatud uraani ehk uraani, milles on U-235 isotoobi osakaal ca 3-5%. Uuemad reaktoridisainid vajavad ja näiteks tuumaalveelaevade reaktorid kasutavad ka kõrgema, kuni 20% rikastusastmega kütust, mis võimaldab väiksemaid reaktoreid, ja pikemat kütusevälpa.

On testitud ka maailmas laialt levinud tooriumi kasutamist reaktorites, kuid sellised reaktoritüübid on seni osutunud kommertskasutuseks liiga keerulisteks.Kütuseks sobib ka reaktorites tekkiv plutoonium – ligi kolmandik veereaktori energia sellest tegelikult tulebki. Tuumakütuse puhul on oluline, et nendes on lõhustuvate isotoopide konsentratsioon piisav, et hoida käimas ahelreaktsiooni. Teisisõnu – ühest aatomituuma lõhustumisest tekkivate neutronite arv peab olema piisav, et iga lõhustumine põhjustaks täpselt ühe uue lõhustumise. On võimalik kasutada ka üldse rikastamata uraani, näiteks Kanada arendatud CANDU reaktorites, kuid sel juhul on reaktorituumas vaja nn rasket vett – seda tüüpi reaktoreid leidub nt Kanadas, Rumeenias ja Aasias, kokku üle 30.

Uraani kasutatakse kütuses silindriliste keraamiliste graanulite/pelletitena, mis pannakse peenikesse metalltorru. Need kütusevardad pannakse omakorda kimpu ehk moodustatakse kütusekoostu. Reaktorituumas võib olla kuni sadu kütusekoostusid. Reaktorituum asetatakse veega või mõne muu soojust kandva ainega täidetud reaktorianumasse.

Lisaks kütusevarrastele on reakoris ka kontrollvardad, mis neelavad neutroneid. Nagu nimigi viitab, kontrollitakse nendega ahelreaktsiooni ehk reguleeritakse reaktori võimsust ja vajadusel seisatakse reaktori täielikult.

Reaktorite tööpõhimõtted

Reaktoreid võib liigitada mitmetel erinevatel viisidel. Üldiselt piisab, kui defineerida kolm näitajat: moderaator, jahuti ning neutronite kiirus. Sedasi saab võrrelda ja iseloomustada erinevaid reaktoritüüpe ja -tehnoloogiaid. Tabel 1 näitab, millised moderaator-jahuti kombinatsioone kasutatakse. Kollane lahter, kus vesi on nii moderaator kui ka jahuti, tähistab levinumaid reaktoritüüpe.

Tabel 1. Reaktoritüübid moderaator-jahuti kombinatsioonina

Vesijahutusega reaktorid

Surveveereaktorid

Nagu öeldud, on kõige levinumateks reaktoritehnoloogiateks vesi-vesi tüüpi reaktorid. Maailmas töötavast 439 reaktorist lausa 377 on vesi-vesi tüüpi reaktorid. Nende alla lähevad surveveereaktorid (PWR, VVER) ja keevaveereaktorid (BWR). Suur populaarsus on tingitud aastatepikkusest arendustööst ning kogemusest just selliste reaktoritega töötamisel. PWR reaktorid kusjuures muutusid omal ajal tuumasektori eelistehnoloogiaks tänu allveelaevadele, kuhu sobisid PWR-tüüpi reaktorid väga hästi. PWR (ja mõningate väiksemate erinevustega ka VVER) skeem on toodud Joonisel 1. Suurimaks erinevuseks VVER puhul võrreldes PWR disainiga on horisontaalsed aurugeneraatorid.

Joonis 1. Surveveereaktori (PWR & VVER) skeem

Surveveereaktori iseloomulikuks tunnuseks kahe erineva kontuuri kasutamine. Tänu sellele saab peakontuuris (reaktorit läbiv vesi) hoida kõrge rõhu all (15-16 MPa) olevat vett keemast, mistõttu on saavutatavad ka kõrgemad temperatuurid. Tänu kõrgematele temperatuuridele on soojusvahetis võimalik toota efektiivsemalt auru. Teisases kontuuris on rõhk 6-7 MPa. 

Kuna jahutina kasutatakse vett, siis töötab see ka aeglustina ning sellest järeldub, et kõik vesi-vesi tüüpi reaktorid töötavad soojuslike neutronitega. Reaktori efektiivsus ongi tihedalt seotud just neutronite aeglustamise efektiivsusega, mistõttu on keemise vältimine väga tähtis, et säilitada kõrget kasutegurit. See omadus töötab ka ohutuse tagajana, kuna juhul, kui temperatuur tõuseb nii kõrgele, et tekib keemine, siis moderatsiooni efektiivsuse langedes väheneb ka soojuslike neutronite hulk reaktoris. Peamiseks reaktiivsuse kontrollmehhanismiks kasutatakse surveveereaktorites boorhappega rikastatud vett, mis töötab neutronimürgina. Sõltuvalt vajadusele saab boorhappe kontsentratsiooni ringlevas vees muuta. 

Keevaveereaktorid

Populaarsuselt teiseks reaktoritehnoloogiaks on keevaveereaktor (BWR), mis on niisamuti vesi-vesi tüüpi reaktor. Erinevus võrreldes surveveereaktoriga on kontuuride arv. Kui surveveereaktoril on kaks kontuuri – üks, milles on kõrge rõhu all vedelas faasis vesi ning teine kus on aurufaas – siis keevaveereaktoril on üks kontuur, kus toimub, nagu nimigi ütleb, keemine.

Eraldunud aur suunatakse läbi aurukuivatite üle reaktori ülemise osa otse turbiini.

Joonis 2. Keevaveereaktori skeem

Erinevalt surveveereaktorist ei ole keevaveereaktoris võimalik kasutada boorhapet, kuna vee keemisel ladestuks boor kütusekoostudele ning rikuks seeläbi nende mehaanilist tugevust ning käituks soojusliku takistusena. Seetõttu on keevaveereatoreites peamiseks reaktiivsuse kontrollmehhanismiks vee massivoo reguleerimine. Sarnaselt surveveereaktoritele määrab vedelas olekus vee osakaal soojuslike neutronite hulga reaktoris. Kui reaktorisse suunatud vee voogu suurendada, suureneb ka aeglustusvõimekus ning seeläbi ka reaktori võimsus. Suur erinevus võrreldes surveveereaktoritega ka kontrollvarraste sisestamine reaktori allosast. See on vajalik, kuna reaktori ülemises osas on aurueraldajad, mistõttu ei oleks seal nende jaoks ruumi. 

Silmas peab pidama, et kuna keevaveereaktoril ei ole mitut kontuuri, siis aur, mis suunatakse turbiini, on (vähesel määral) radioaktiivselt aktiivne. Seetõttu on keevaveereaktorite komponentide varjestamine ning õigeaegne väljavahetamine väga tähtis. See tõstab mõningal määral komponentide hinda, kuid vastukaaluks on kogu süsteemi ehitus lihtsam kui surveveereaktoritel. Kokkuvõttes on majanduslikust küljest surveveereaktorid ja keevaveereaktorid omavahel võrdsed. Tabelis 2 on toodud ülevaade survevee- ja keevaveereaktori võrdlusest.

Tabel 2. Surveveereaktorite ja keevaveereaktorite võrdlus

RBMK reaktoritüüp

Kolmandaks vesijahutusega reaktoriks, mida maailmas veel kasutatakse, on Venemaal kasutatav RBMK (реактор большой мощности канальный) reaktor. Kurikuulus reaktor, mis oli kasutusel ka Tšornobõlis, loodi eelkõige eesmärgiga toota tuumarelvakõlbulikku plutooniumi. Kui survevee- ja keevaveereaktorite puhul on nii aeglusti kui jahuti vesi, siis RBMK reaktori aeglustiks on grafiit. Seetõttu on nende reaktorite mõõtmed võrdse võimsuse kohta oluliselt suuremad. Olemuslikult ei ole need reaktorid nii ohutud kui varasemalt mainitud kergveereaktorid, kuna vee tiheduse langedes ning auru tekkides aeglustusvõimekus mitte ei lange, kuid tõuseb, kuna tuumas olevad reaktorid “kohtavad” seda rohkem aeglustiks olevat grafiiti. Tänapäeval enam uusi RBMK reaktoreid ei ehitata. Eestile geograafiliselt kõige lähemal asuvas tuumajaamas Sosnovõi Boris on kolm RBMK tüüpi reaktorit.

CANDU reaktoritüüp

Kui seni mainitud reaktorid on kõik kergveejahutusega, siis Kanadas arendatud ning kasutatav CANDU (Canada Deuterium Uranium) reaktor kasutab moderatsiooniks ning jahutuseks rasket vett. Tänu sellele on võimalik CANDU reaktorites kasutada rikastamata uraani. Reaktori kasutamise teeb mugavaks ka võimekus teda käitada pidevas režiimis – kütust saab vahetada ilma reaktorit seiskamata. See võimekus puudub PWR ja BWR tüüpi reaktoritel. Sellel samal eelisel on ka negatiivne külg – kütust on võimalik välja võtta täpselt sellisel hetkel, kui oleks sellest kõige mugavam eraldada tuumarelvade tootmiseks vajalikku plutooniumi. CANDU reaktori skeem on toodud Joonisel 3.

Joonis 3. CANDU reaktori skeem

Gaasijahutusega reaktorid

Sarnaselt RBMK-le kasutatakse aeglustina grafiiti ka mitmetes teistes disainides. Näiteks Ühendkuningriigi tuumatööstuse alustalaks on olnud algselt Magnox tüüpi reaktorid ning teise generatsioonina AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor). Nende reaktorite jahutiks ei ole mitte vedelik, vaid süsihappegaas. Seetõttu on võimalikud kõrgemad temperatuurid ning seeläbi ka teises kontuuris kõrgem aurutemperatuur, mille tulemusena on reaktori kasutegur kõrgem, kui vesijahutusega reaktorite puhul. Nagu ka RBMK reaktorite puhul, on grafiidi kasutamise tagajärjel mõõtmed oluliselt suuremad kui kergveereaktorite puhul. 

Edasiarendus AGR-ist on viinud uut tüüpi reaktoriteni – väga kõrge temperatuuriga reaktoriteni (VHTR – Very High Temperature Reactor). Need kasutavad soojuskandjana niisamuti gaasi, kuid süsihappegaasi asemel kasutatakse heeliumi. Seda just heeliumi heade soojuslike omaduste tõttu. Heeliumi soojusjuhtivus on paremuselt teine vesiniku järel. Sarnaselt AGR-ile kasutatakse neutronite aeglustamiseks grafiiti. Nagu nimigi ütleb, siis see reaktor suudab toota väga kõrgel temperatuuril gaasi (kuni 1000C), mis teeb võimalikuks teises kontuuris ka tööstusauru tootmise. See avab võimalused toota selle temperatuuri juures vesinikku ning olla osaks terase tootmisprotsessides. Maailma esimene VHTR-tüüpi reaktor HTR-PM saavutas esimese kriitilisuse 2021. aasta lõpus Hiinas. VHTR on üks mitmest 4. generatsiooni reaktoridisanidest.

Kiiretel neutronitel töötavad reaktorid

Varasemalt mainitud reaktorid kõik töötavad soojuslike neutronitega – neid on vaja aeglustada, et lõhustumisprotsess toimuks efektiivselt. Peale soojuslike neutronite on võimalik kasutada ära ka neutronite kiiret spektrit. See tähendab, et neutroneid ei aeglustata. Selleks on vajalik kasutada jahutit, milles oleks neutronite neeldumine ning energiakadu võimalikult madal. Vastavalt impulsi jäävuse seadusele sobivad selleks kõrgema aatommassiga elemendid. Näiteks on kasutatud jahutiks vedelat naatriumi, pliid, plii-vismuti segu. Silmas peab pidama, et kõik need materjalid on toatemperatuuril tahkel kujul, mistõttu on oluline hoida reaktoris pidevalt piisavat temperatuuri, et ei tekiks tahkestumist ja soojuskandja saaks efektiivselt reaktoris tekkivat energiat laiali kanda. Kõrge soojusjuhtivuse ning moderatsiooni mittevajalikuse tõttu saavad kütusekoostud olla väga lähestikku, mille tagajärjel on kiiretel neutronitel töötavate reaktorite mõõtmed väiksemad kui vesijahutusega reaktoritel.

Kiire spektri eeliseks on ka nende võime toota ühe lõhustumise kohta rohkem neutroneid kui soojusliku spektri puhul. Selle tagajärjel on võimalik efektiivsemalt toota ka U-238st Pu-239 ja seda kütusena kasutada. Seetõttu nimetatakse kiiretel neutronitel töötavaid reaktoreid breeder reaktoriteks – nad toodavad kütust, mida nad ise tarbivad. Kiiretel neutronitel töötavad reaktorid on olnud näiteks EBR 1 (maailma esimene elektrit tootnud reaktor), Phenix, Superphenix, BN-600, BN-800, CEFR. Kiiretel neutronitel töötavad reaktorid on tulevikku silmas pidades võtmetähtsusega, kuna need loovad võimekuse taaskäidelda tuumkütust efektiivsemalt kui vesijahutusega reaktorid ning seeläbi vähendada kasutatud kütuse radioaktiivsust.

---

Virtuaaltuur tuumajaama