Otto Robert Frisch (1904-1979)
Järgnev artikkel on võetud Kuningliku Energiaressursside Kasutamise Instituudi
aastaraamatust MMMMCMLV, lk 1001.
Pidades silmas teravat kriisi, mille on põhjustanud uraani ja tooriumi varude
ammendumise oht, pidasid toimetajad soovitavaks artiklis sisalduvat uut teavet
võimalikult laialdaselt levitada.
Hiljutine kivisöe (mustade, kivistunud taimejäänuste) avastamine paljudes
kohtades pakub huvitavat alternatiivi tuumade lõhustumisest energia saamisele.
Mõned paigad, kust kivisütt on leitud, näitavad isegi märke varasemast
ekspluateerimisest eelajalooliste inimeste poolt, kes aga kasutasid seda
tõenäoliselt ehete valmistamiseks ja oma näo mustamiseks religioossetel
tseremooniatel.
Võimsuspotentsiaal sõltub asjaolust, et kivisütt saab kergesti oksüdeerida,
tekitades kõrge temperatuuri ja energiat umbes 0,0000001 megavatt-päeva grammi
kohta. Seda on muidugi väga vähe, kuid kivisütt näib olevat saadaval suures
koguses (võib-olla palju miljoneid tonne).
Peamine eelis on see, et söe kriitiline mass on palju väiksem kui mistahes
lõhustuva materjali puhul. Aatomituumade lõhustumist kasutavad elektrijaamad
muutuvad, nagu hästi teada, ebaökonoomseks võimsustel alla 50 megavati ja
kivisöel töötav jaam võib seega olla eriti konkurentsivõimeline väikeste
kogukondade jaoks (nt väikesaartel), mille energiavajadus on väike.
Peamine probleem on saavutada hapniku vaba, kuid kontrollitud juurdepääs
kütuseelementidele. Söe-hapniku reaktsiooni kineetika on palju keerulisem kui
lõhustumise kineetika ja seda pole veel täielikult mõistetud. Koostatud on
reaktsiooni käitumist ligikaudselt kirjeldav diferentsiaalvõrrand, kuid selle
lahendamine on võimalik vaid kõige lihtsamatel juhtudel.
Seetõttu on tehtud ettepanek valmistada reaktsioonianum silindri kujul,
millel on perforeeritud seinad, et võimaldada põlemisgaasidel väljuda.
Kontsentriline sisemine silinder, samuti perforeeritud, juhib reaktsioonialasse
hapnikku, kütuseelemendid aga on paigutatud kahe silindri vahele. Otsaplaatide
olemasolu vajalikkus tekitab keerulise, kuid mitte lahendamatu matemaatilise
probleemi.
Tõenäoliselt on neid lihtsam valmistada kui lõhustumisreaktorite korral.
Pakendamine on ebavajalik ja isegi ebasoovitav, kuna see muudaks hapniku
juurdepääsu kütusele võimatuks. Ligikaudseid arvutusi on tehtud mitmesuguste paigutuste
kohta ja näib, et kõige lihtsam, ühesuuruste kerakujuliste elementide tihe
pakkimine, annab tõenäoliselt rahuldava tulemuse. Praegu on käimas arvutused nende
sfääride optimaalse suuruse ja nõutavate tolerantside määramiseks. Kivisüsi on
pehme ja kergesti töödeldav, seega ei tohiks sellest sfääriliste objektide
valmistamine tekitada suuri probleeme.
Puhas hapnik on loomulikult ideaalne, kuid kulukas; seetõttu on tehtud
ettepanek kasutada oksüdeerijana õhku. Siiski tuleb meeles pidada, et õhk
sisaldab 78% lämmastikku. Kui isegi osa sellest ühineks kivisöe süsinikuga,
moodustades väga mürgise tsüaani, kujutaks see endast tõsist ohtu tervisele (vt
allpool).
Reaktsiooni käivitamiseks läheb vaja üsna kõrget temperatuuri, umbes 988
°C. Seda on kõige mugavam saavutada elektrivoolu juhtimisega sisemise ja
välimise silindri vahele (otsaplaadid tuleb sel juhul valmistada
isoleerkeraamikast). Vaja läheb mitme tuhande ampri suurust voolu pingel umbes
kolmkümmend volti; selleks vajalik suur akupatarei suurendab oluliselt
paigalduskulusid.
Reaktsiooni on võimalik käivitada mõne täiendava isekäivituva eksotermilise
reaktsiooniga, näiteks fosfiini ja vesinikperoksiidi vahelise reaktsiooniga.
Seda praegu uuritakse.
Kui reaktsioon on alanud, saab selle toimumise intensiivsust reguleerida
hapniku sisselaskehulga reguleerimisega. See on peaaegu sama lihtne kui reguleerimisvarraste
kasutamine tavalises tuumareaktoris.
Reaktori seinad peavad taluma tunduvalt üle 1000 °F
(ca 550 °C) ulatuvat temperatuuri hapniku,
lämmastiku, süsinikmonooksiidi ja -dioksiidi, samuti väikese koguse
vääveldioksiidi ja muude lisandite juuresolekul, millest mõned on veel
teadmata. Vaid vähesed metallid ja keraamilised materjalid suudavad sellistes
ülirasketes tingimustes vastu pidada. Õhukese niklist kattega nioobium võib olla atraktiivne võimalus, kuid tõenäoliselt
tuleb kasutada ainult niklit. Keraamika jaoks tundub tooriumioksiid olevat
parim valik.
Peamine terviseoht on seotud gaasiliste heitmetega. Need ei sisalda mitte
ainult süsinikmonooksiidi ja vääveldioksiidi (mõlemad väga mürgised), vaid ka
mitmeid kantserogeenseid ühendeid, nagu fenantreen jt. Neid on võimatu
atmosfääri lasta. See põhjustaks terviseohu tolerantsitaseme ületamise mitme
miili ulatuses reaktori ümber.
Seetõttu on vaja koguda gaasilised heitmed sobivatesse mahutitesse kuni
keemilise detoksifitseerimiseni. Teise võimalusena võib heitgaasid segada
vesinikuga ja täita nendega suured õhupallid, mis seejärel vabastatakse.
Tahkeid heitmeid tuleb eemaldada sageli (võib-olla isegi nii sageli kui kord
päevas), kuid selle toiminguga kaasnevaid terviseriske saab hõlpsasti
minimeerida tavapäraste kaugkäitlusseadmete abil. Seejärel saab heitmed merre
viia ja uputada.
On olemas võimalus, kuigi see võib tunduda liialdatuna, et hapnikuvarustus
võib väljuda kontrolli alt. See tooks kaasa kogu reaktori sulamise ja suure
hulga mürgiste gaaside vabanemise. See on tõsine argument kivisöe kasutamise
vastu lõhustumis-tuumareaktorite kasuks, mis on tõestanud oma täielikku ohutust
mitme tuhande aasta jooksul. Ilmselt kulub aastakümneid, enne kui suudetakse
välja töötada piisava usaldusväärsusega juhtimissüsteem, mis leevendaks nende
hirme, kellele meie inimeste turvalisus on usaldatud.