Kas Eestile on vaja tuumajaama?

Autori arvates on Eestis head väljavaated nii taastuv- kui ka tuumaenergeetika arendamiseks, ent kindlasti tuleb hoiduda tuumaenergeetika vananenud tehnoloogiate kasutamisest. Tuumaenergia tootmise uueks lootustandvaks lahenduseks võib pidada tooriumkütusel töötavat sulasoolareaktorit.

 Eesti energiavarustuse võimalike stsenaariumide koostamisel on eelkõige vaja hinnata olemasolevaid ressursse (tabel 1) ja nende rakendamiseks vajalikke kulutusi. Stsenaariumide objektiivseks hindamiseks on oluline vaadelda elektri tootmist ja tarbimist kompleksselt, pidades silmas:

• otseseid kulutusi (seadmete ja rajatiste maksumust);
• kaudseid kulutusi (loodusvara kahjustamist);
• peidetud energiat (süsiniku jalajälge, materjalide ja seadmete valmistamiseks kuluva energia hulka);
• seadmete olelusiga.

Hüdroenergia

Eesti killustatud hüdroenergiaressurss on suhteliselt lameda pinnamoe tõttu suhteliselt tagasihoidlik – selle tehniliselt rakendatav potentsiaal on vaid 30–60 MW [3]. Probleeme tekitab ka maa üleujutamine ja kalarände takistamine. Väikeste jõujaamade elektri omahind on suhteliselt kõrge: uutes jaamades 5,5–11 ning taastatavates 3,8–9 senti/ kW∙h [2]. Tootmismaht oli 2011. aastal 30 GW∙h [1]. Hüdroelektrijaamade hea omadus on see, et nende võimsust on võimalik kiiresti reguleerida ning et neid saab kasutada elektritarbimise tipukoormuse katteks ja stabiliseerimisjaamadena. Eestis on veel kasutamata üks oluline vee-energiaressurss – Omuti jõuaste Narva jõel, mille võimsuseks on hinnatud 15–30 MW [3].

Tuuleenergia

Eesti maismaal on tehniliselt rakendatava tuuleenergia potentsiaal 560 MW ja avamerel 3425 MW [4]. Tänaseks on meil püstitatud tuulikuid koguvõimsusega 269,4 MW ning 2011. aastal toodeti 368 GW∙h toetatavat tuuleenergiat. Sama hulga energiat oleks saanud toota 42 MW_el gaasigeneraatoriga. Tuulegeneraatorid suudavad toota vaid 30 % energiast, mida võimaldaks installeeritud võimsus. Tuuleenergia suurim miinus on energiatootmise ebakorrapärasus: tuulikud saavad töötada vaid tuulekiiruse vahemikus 5–22 m/s.

Elektrivõrgu stabiliseerimiseks hoitakse praegu soojuselektrijaamu nn kuumas reservis. Selline soojuselektrijaam tarbib pidevalt kütust, selle jooksevkulud on püsivad, aga elektrit ta ei genereeri, seega tuleks kogu kuuma reservi kulutatud kütus ja emiteeritud CO₂ – heide arvata tuulegeneraatorite käituskuluks [5]. Järelikult ei ole õige väita, et tuulikute kasutamisega ei kaasne kasvuhoonegaasiheidet. Tuulikufarmide omanikelt tuleks nõuda kogu installeeritud võimsuse stabiliseerimiseks vajalike salvestuselektrijaamade väljaehitamist. 2000 MW-se koguvõimsusega tuulikute töö stabiliseerimiseks oleks vaja nt rajada 1200 MW-se võimsusega pumpejõujaam [6], siis oleks võimalik stabiilne elektritootmisvõimsus 600 MW.

Päikeseenergia

Eesti laiuskraadil võib arvestada parimaks energiatiheduseks 1 kW/m² (selge ilma korral, kui päikesekiired langevad nendega risti olevale tasapinnale). Energiatihedus tundub küll ahvatlevalt suurena, ent kahjuks on päikesepatareide kasutegur väike – vaid 9–13 %. Suur probleem on ka patareide kõrge hind, mida põhjustab nende tootmiseks kuluv väga suur energiahulk – monokristalsest ränist elemendi tootmiseks kulub nt kuni 1,9 kW∙h energiat ruutsentimeetri kohta [7]. Eesti laiuskraadil peaks selline element töötama 45 aastat, et toota tema valmistamiseks kulunud energiakogust. Paneeli oleluseaks arvestatakse aga vaid 25 aastat. Uued tehnoloogiad võivad muidugi mõningal määral vähendada PV-elementide valmistamise energiamahukust. Õhukeste kilede tehnoloogiaga valmistatud päikesepatareide peidetud energiamahukus on väiksem, seetõttu on nad ka odavamad. Paraku on nendegi kasutegur vaid 9 % ringis [8]. Elektrit on võimalik toota ka peeglitega päikesevalgust koondades ja saadud soojuse abil turbiini või stirlingmootorit käitades, aga need lahendused ei ole oma tehnilise komplitseerituse tõttu kuigi levinud.

Biomassienergia

Eestis oleks võimalik puidu biomassist toota 5,72 TW∙h ning rohtsest biomassist 1 TW∙h elektrit aastas, tootmisvõimsused oleksid vastavalt 653 MW ja 144 MW [9]. Aastal 2011 toodeti biomassist 747 GW∙h elektrienergiat, sellest tõhusa koostootmise režiimis ainult 147 GW∙h. Tootmisvõimsuseks arvutatult oleks see 85,3 MW_el. Biomassist toodetud elektri eest maksti tootjatele 40 miljoni eurot dotatsiooni. Euroopa keskmine koostootmisjaama kasutegur on elektri tootmisel 38,1 % ja soojuse tootmisel 47,7 %.

Ülo Kase arvutuste kohaselt [9] kulutati 2005. aastal 7,5 gigatonnis fossiilkütuses sisalduva süsiniku põletamiseks 50 teratonni muistset fütomassi. See on võrdväärne 500 aasta jooksul tekkiva biomassi hulgaga ehk 105 gigatonni süsinikuga aastas. Inimkond on igal aastal kasutanud fossiilset fütomassi koguses, mis on võrdne kogu planeedi praeguse fütomassi 80– 100-kordse varuga, s.o 500–600 gigatonni süsinikuga. Järelikult on lootus, et biomassi põletamisega on võimalik rahuldada kogu inimkonna energiavajadust, utoopiline.

Põlevkivienergia

Põlevkivi on Eestis kaevandatud 1916. aastast peale. Selle aja jooksul on maapõuest välja toodud umbes miljard tonni põlevkivi ning kaevandatud ala suurus on ligikaudu 430 km² . Elektrienergia tootmine põlevkivist on Eestis praegu suhteliselt ebatõhus – eri allikate järgi on põlevkivi elektrienergiaks muundamise tõhusus kõigest 15–32 %. Põlevkivielektrijaamade installeeritud võimsus oli 2011. aastal 2994 MW ja kasutusvõimsus 2931 MW, põlevkivist toodeti 11 376 GW∙h elektrienergiat [1].

Põlevkivi kaevandamise ja kasutamise kohta on kogutud väga palju andmeid. Küsimus pole seega andmepuuduses, vaid selles, et põlevkivienergeetika on osa rahvuslikust energiajulgeolekust ning see pärsib tähelepanu pööramist keskkonnakaitsele. Põlevkivist oleks mõistlikum toota õli ja gaasi, siis saaks sellest ka muid keemiatööstusele vajalikke ühendeid ning arendada põlevkivikeemiat. Saadud gaasi ja õli oleks võimalik kasutada Eestis hajusalt paiknevates soojuse ja elektri koostootmisjaamades. Niimoodi saaks elektrienergia tootmist hajutada ning ära kasutada praegu kaotsi mineva soojuse.

Tuumaenergia

Tuumaenergeetika on valdkond, mille arengule pandi väga suuri lootusi, ent toimunud avariide ja radioaktiivse reostuse pikaajalise iseloomu tõttu on ühiskonnas tekkinud sellele emotsionaalne vastuseis. Ometi on tuumaenergeetika praegu ainus energeetikaharu, mis fossiilsete kütuste lõppemise korral suudab tagada ilmastikuoludest sõltumatu ööpäevaringse elektrivarustuse. Tähtis osa elektri tootmises tuumaenergia abil on ka kaassaadusena saadaval soojusel, mis võimaldaks meie linnasid kütta.

Tuumaenergiatoormena on siiani kasutatud uraani, mida arvatakse olevat maakeral 5,3–6,4 miljonit tonni. See on väga suur ressurss, sest ühe kilogrammi loodusliku uraani lõhustumisel saadakse 123 000 kW∙h energiat [10]. Võrdluseks: ühe kilo kivisöe põletamisel saadakse 9 kW∙h ja põlevkivi puhul 1,3–3,1 kW∙h energiat.

Kergvee-tuumareaktorid

Tänapäeval kasutusel olevad kergvee-tuumareaktorid on tehnoloogilises mõistes kehvemad kui omaaegsed aurumasinad. Põhjus on selles, et need reaktorid suudavad kasutada tuumareaktsioonil energiat eraldava kütusena üksnes isotoopi U₂₃₅, mida on looduslikus uraanis vaid 0,71 %. Tuumareaktoris kasutamiseks peab kütuses seda isotoopi olema aga vähemalt 3 %. Rikastamine on keeruline ja ohtlik. Järele jäänud „vaesestatud“ uraani energeetikas enam ei kasutata, see visataks nagu ära, kasutades seda nt plii asendajana lahingumoonakuulides. Loodusliku uraani kasutamise ebatõhusust võiks võrrelda sellega, et ahju köetakse kasehalgudelt kooritud tohuga, halud aga visatakse minema. Nagu kasetohu mittetäielikul põlemisel koldesse ja korstnasse tekkiv pigigi on kergvee-tuumareaktori kütusejäägid ohtlikud, pealegi kestab nende lagunemine väga pikka aega.

Kõik praegused tuumareaktorid kasutavad kütusevarrastesse paigutatud tahket tuumakütust. Tuumalõhustumisel vabanev soojusenergia tuleb varrastest kiiresti eemale juhtida, muidu võivad nad sulada. Varraste sulamine ongi tuumareaktorile kõige suurem oht, sest väikseimgi jahutussüsteemi tõrge võib viia katastroofini. Seetõttu on jahutussüsteemid kuni neljakordselt dubleeritud.

Kui aga sulatada tuumakütus kohe üles ja juhtida tuumareaktsiooni vedelikukeskkonnas? Selline lahendus on ajaloos olemas. Tuumafüüsik A. M. Weinberg (1915–2006), kes asus 1945. aastal juhtima Ameerika kuulsaimat tuumalaborit Oak Ridge National Laboratory ning kes patenteeris 1945. aastal ka tänapäeval kasutatavad kergveereaktorid, jõudis uurimistööd jätkates uudse lahenduseni – sulatatud soola keskkonnas toimiva tuumareaktorini. 1965. aastal tööd alustanud 7,4 MWne katsereaktor töötas edukalt 1969. aastani, ent USA valitsuse nõudmisel projekt suleti ja külmutati.

Sulasoolareaktorid

Sulasoolareaktoril oli muude reaktoritüüpidega võrreldes mitu eelist, ent oli ka üks omadus, mis ilmselt sai otsustavaks – selle reaktoriga ei olnud võimalik toota tuumarelva valmistamiseks vajalikku materjali. Tänapäeval on see omadus pigem voorus kui puudus. Sulasoolareaktori töökeskkond on sulatatud sool ( LiF, BeF₂), milles on lahustatud lõhustatav aktiivaine – uraan, plutoonium või toorium. Erilist huvi pakub just tooriumi kasutamise võimalus. Toorium (Th₂₃₂) on kergelt radioaktiivne metall, mille poolestusaeg on 14 miljardit aastat. Toorium neelab hästi neutroneid ja muutub uraaniks U₂₃₃, mille lõhustumisenergia on ligilähedane U₂₃₅ omale (24 000 000 kWh/kg). Tooriumi aktiivseid varusid on maailmas neli korda rohkem kui looduslikku uraani ning tähelepanuväärne on see, et üle 99 % looduslikust tooriumist on isotoobina Th₂₃₂ (uraanis isotoopi U₂₃₅ vaid 0,71 %). Järelikult on looduslikust tooriumist võimalik saada 200 korda rohkem energiat kui looduslikust uraanist.

Sulasoolareaktori töötemperatuur on 700 ^oC ning see töötab normaalrõhul. Võrreldes kergveereaktoritega, mille töötemperatuur on 285–315 ^oC ja töörõhk 75–158 baari, on sulasoolareaktori töötamine normaalrõhul suur eelis – tehnilisest rikkest tingitud avariioht on oluliselt väiksem. Kõrgema temperatuuri puhul on avariiolukorras kergem tagada ka reaktori jahutust. Jahutid võivad olla passiivsed ning siis ei ole vaja neid dubleerida, sest passiivjahuti töötab igal juhul. Sulasoolareaktori hea omadus on veel negatiivne temperatuuritegur – reaktori kuumenedes sool paisub ja tõrjub osa kütusest reaktori aktiivalast välja ning reaktor hakkab taas jahtuma. Tänu neile omadustele saab sulasoolareaktorit ehitada väga kompaktse, töökindla ja kergesti juhitavana. Reaktor maksab ca 2000 $/kW, seega oleks 100 MWel võimsusega reaktorisse vaja investeerida ca 200 miljonit dollarit. Tänu kompaktsusele saab sellist reaktorit tehases valmis teha ning ühes tükis kohale vedada. Reaktori oleluseaks prognoositakse 40 aastat. [11]

Tähtis on ka lõhustumisjääkide kogus ja poolestusaeg (joonis 1). Sulasoolareaktoris tekib jääksaadusi palju (206 korda!) vähem kui loodusliku uraani lõhustamisel ning tekkinud jääkidest saab 83 % tööstuses ja meditsiinis taaskasutada. Selleks on vaja neid vaid kümme aastat hoida stabiliseerimiskambris. Ülejäänud 17 % jääkide poolestusaeg on keskmiselt 30 aastat ning kui neid jääke hoida kümme poolestusaega ehk 300 aastat, on nende ohutustase juba selline, et neid on lihtne ladustada või loodusesse hajutada.

Sulasoolareaktori on turvaline

Sulasoolareaktoril on veel üks hea omadus – isestabiliseerumisvõime. Reaktor on turvaline, sest:

• temperatuuri liigse tõusmise korral hakkab toorium paremini neutroneid neelama ning ahelreaktsiooni kiirus pidurdub;
• temperatuuri tõusmisel soolalahus paisub ja surub osa lõhustuvast materjalist reaktori aktiivtsoonist välja;
• soojusülekandevedelik on keemiliselt stabiilne – sulatatud fluoriidid ei põle, ei plahvata ning ei lagune isegi väga kõrgel temperatuuril ja tugevas radiatsioonikeskkonnas;
• reaktoriruum on madalsurveline – reaktor võib töötada atmosfäärirõhul või kuni kuuebaarise rõhu all (kergveereaktori töörõhk on vahemikus 75–158 baari);
• reaktor on lekke- ja plahvatuskindel – madala rõhu tõttu on materjali väsimise tõenäosus väike;
• lõhustumisjääke saab kergesti ja kiiresti reaktorist eemaldada; tuumakütuse hulk on aktiivtsoonis väike – reaktor on kergemini juhitav ja ohutum;
• võimalik on kasutada passiivset jahutussüsteemi ning seda pole vaja dubleerida;
• aktiivtsoonil on „avariilase“ – aktiivtsooni avariipaakidega ühendavat toruosa jahutatakse õhuventilaatoriga. Kui elekter mingil põhjusel kaob ja torule külma õhku peale ei puhuta, sulab torus olev sool üles ja voolab koos tuumakütusega avariipaakidesse;
• jäätmetes pole pika poolestusajaga osiseid, kõik kütusejäägid stabiliseeruvad 300 aastaga;
• sulasoolareaktoris saab „põletada“ ka kergveereaktori tuumajäätmeid;
• sulasoolareaktorit ei saa kasutada tuumapommi tootmiseks. Sulasoolareaktorit iseloomustab ka mitu soodsat majanduslikku aspekti: toorainet Th₂₃₂ on maailmas niisama palju kui pliid. Tooriumikilo maksis 2011 aastal 30 $;
• tooriumi kulub vähe, sest 99 % looduslikust tooriumist on tuumakütuseks sobiv isotoop;
• sulasoolareaktori ehitamiseks pole vaja haruldasi metalle ega mineraale;
• reaktori termodünaamiline kasutegur on kõrge – koos gaasiturbiiniga 45 % (auruturbiinil vaid 33 %);
• 83 % läbitöötanud kütusest on võimalik tööstuses ja meditsiinis taaskasutada;
• kütuse lisamine ja heitmete kõrvaldamine toimub reaktori töö ajal ning selleks ei ole vaja reaktorit seisma jätta;
• hea võimsusdiapasoon – 10 kuni 1000 MW; sulasoolareaktorit saab ka õhkjahutada, seega ei pea läheduses olema suurt veekogu.

Viimasel ajal on sulasoolareaktoritega seotud arendustööd tugevasti hoogustunud. Seda tüüpi reaktorite loomisest on teatanud Inglismaa, Hiina, India, Prantsusmaa, Austraalia, Tšehhi, Jaapan, Venemaa ja USA.

Kokkuvõtteks

Kokkuvõtteks võib tõdeda, et kuigi taastuvenergeetika osakaalu suurenemine on olnud kiire, ei ole fossiilkütuste kasutamine kuigi oluliselt kahanenud. Taastuvate energiaressursside kasutuselevõtt nõuab suuri investeeringuid ja sellega kaasnev tegevus koormab keskkonda. Vaja on ka stabiliseerimisvõimsusi. Uute tuumaenergiatehnoloogiate kasutamine võimaldaks oluliselt suurendada energeetilist julgeolekut. Tuumaelektri tootmisega kaasneb suur hulk jääksoojust, mida oleks võimalik kasutada linnade kütmiseks. Eesti poliitikutele võiks soovitada panustada tuumaenergeetikasse, ent mitte mingil juhul ühineda Leedu projektiga, sest Ignalina tuumajaama kavandatakse vananenud tehnoloogial toimivat ja kõrge saasteainetootlusega reaktorit. Pigem tasuks ühineda mõne sulasoolareaktorite evitamisega aktiivselt tegeleva konsortsiumiga.

Viidatud allikad

1. Riigikontrolli ülevaade Riigikogule. 2012. Elektritootmise võimalikud valikud, Tallinn.
2. D. de Jager, C. Klessmann, E. Stricker, T. Winkel, M. Ragwitz, A. Held, G. Resch, S. Busch, C. Panzer, A. Gazzo, T. Roulleau, P. Gousseland, M. Henriet, A. Bouillé. 2011. Financing renewable energy in the European energy market. Final report.
3. Raesaar, P. 2004. Hüdroenergia ressursist ja kasutamisest Eestis. Tallinn.
4. Aarna, I. 2002. Taastuvenergia ja koostootmise potentsiaal Eestis. Ettekanne.
5. Leonhard, W. 2002. Balancing fluctuating wind energy with fossil power stations.
6. Rummel, L. 2008. Taastuvatest allikatest elektri tootmise võimalused Eestis. Tallinn.
7. http://www.lowtechmagazine. com/2009/06/embodied-energy-of-digitaltechnology.html.
8. http://en.wikipedia.org/wiki/Thin_film_ solar_cell.
9. Kask, Ü. 2009. Biomassi kasutuse arengusuunad. Ettekanne. Tallinn.
10. Morgan, J. 2010. Energy density and waste comparison of energy production.
11. http://blogs.forbes.com/kirksorensen.
12. http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_ fluoride_thorium_reactor.

Artikli autor on HILLAR TOOMISTE, EMÜ põllumajandus- ja keskkonnainstituudi doktorant

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 1/2013, lk 14–17

Foto: Johannes Plenio from Pexels