Kivisöel töötavate elektrijaamade teostatavusest
Otto Robert Frisch (1904-1979)
Jacksoni natuurfilosoofia professor - Cambridge’i ülikool
(Niels Bohri 70. sünnipäevaks, 7. oktoobril 1955)
Järgnev artikkel on võetud Kuningliku Energiaressursside Kasutamise Instituudi
aastaraamatust MMMMCMLV, lk 1001.
Pidades silmas teravat kriisi, mille on põhjustanud uraani ja tooriumi ammendumise
oht, pidasid toimetajad soovitavaks artiklis sisalduvat uut teavet võimalikult
laialdaselt levitada.
Sissejuhatus
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
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 konkurentsivõimeline väikeste kogukondade jaoks (nt väikesaartel), mille
energiavajadus on väike.
Söereaktori projekteerimine
Peamine probleem on saavutada hapniku vaba, kuid kontrollitud juurdepääs
kütuseelementidele. Söe-hapniku reaktsiooni kineetika on palju keerulisem kui
lõhustumise kineetika ja 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.
Kütuseelemendid
Tõenäoliselt on neid lihtsam valmistada kui lõhustumisreaktorite korral. Pakendamine
on ebavajalik ja isegi ebasoovitav, kuna see muudaks hapniku juurdepääsu kütusele
võimatuks. Arvutatud on erinevaid võresid ja näib, et kõige lihtsam, võrdsete
kerakujuliste elementide tihe pakkimine, annab tõenäoliselt rahuldava tulemuse.
Praegu on käimas arvutused sfääride optimaalse suuruse ja nõutavate tolerantside
määramiseks. Kivisüsi on pehme ja kergesti töödeldav, seega ei tohiks sellest
sfääriliste objektide valmistamine tekitada suuri probleeme.
Oksüdeerija
Puhas hapnik on loomulikult ideaalne, kuid kulukas; seetõttu tehakse ettepanek
kasutada eelkõige 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).
Kasutamine ja juhtimine
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 on 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
uuritakse.
Kui reaktsioon on alanud, saab selle toimumise intensiivsust reguleerida hapniku
sisselaskehulga reguleerimisega. See on peaaegu sama lihtne kui juhtvarraste
kasutamine tavalises tuumalõhustumisreaktoris.
Korrosioon
Reaktori seinad peavad taluma tunduvalt üle 1000 °F ulatuvat temperatuuri hapniku,
lämmastiku, süsinikmonooksiidi ja -dioksiidi, samuti väikese koguse vääveldioksiidi
ja muude lisandite juuresolekul, millest mõned on veel teadmata. Vähesed metallid ja
keraamika suudavad sellistes ülirasketes tingimustes vastu pidada. Õhukese niklist
voodriga nioobium võib olla atraktiivne võimalus, kuid tõenäoliselt tuleb kasutada
ainult niklit. Keraamika jaoks tundub tooriumioksiid olevat parim valik.
Terviseohud
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 konteineritesse kuni keemilise
detoksifitseerimiseni. Teise võimalusena võib heitgaasid segada vesinikuga ja täita
nendega suured õhupallid, mis seejärel vabastatakse.
Tahked heitmed tuleb eemaldada sageli (võib-olla isegi nii sageli kui iga päev), 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, et leevendada nende hirme, kellele meie inimeste
turvalisus on usaldatud.