Tuumaenergia areng ei piirdu enam üksnes uute reaktoritüüpide või täiustatud ohutussüsteemidega. Juba mitukümmend aastat on reaktori südamik välja näinud üsna sarnane: tihedalt paigutatud sirged kütusevardad. Just seda näiliselt muutumatut elementi otsustasid teadlased uuesti läbi mõelda.
Traditsioonilise kütusekuju piirangud
Idaho riikliku labori uurijad märkasid, et traditsiooniline silindriline kütusekuju võib piirata kogu süsteemi efektiivsust. Nad otsisid viisi, kuidas parandada soojuse ülekannet, muutmata seejuures tuumareaktsiooni olemust. Tavapäraste väikeste täiustuste asemel valiti märksa radikaalsem lähenemine.
Inspiratsiooni leiti loodusest, kus struktuurid on sageli kerged, ent samal ajal tugevad ning juhivad soojust väga hästi. Luude sisemus, liblikate tiivad ja merisiilide kestad järgivad sarnast matemaatilist loogikat. Seda loogikat kirjeldavad nn kolmekordselt perioodilised minimaalsed pinnad (TPMS, ingl. triply periodic minimal surfaces).
Loodusest inspireeritud kütuse geomeetria
Teadlased pakkusid välja uue kontseptsiooni INFLUX, mille keskne idee ei ole kütuse koostise muutmine, vaid täiesti teistsugune kontakt kütuse ja jahutusvahendi vahel. Sileda varda asemel kujundatakse õhuline, kergelt kaarduv kanalite võrgustik. Selle kaudu liikuv jahutusvedelik tekitab rohkem kasulikke keeriseid.
Selline kuju suurendab oluliselt soojusvahetuspinda. Tänu sellele saab sama fissionimaterjal anda jahutusahelasse rohkem energiat. Teisisõnu, reaktori võimsus suureneb juba ainuüksi tänu paremale soojuse äraviimisele.
Kuidas see võimalikuks sai?
Varasemalt olid sellised keerukad geomeetriad liiga raskesti valmistatavad materjalidest, mis sobivad kasutamiseks tuumaenergeetikas. Nüüd on olukorda muutnud 3D-printimine ja kuum isotermiline pressimine. Need tehnoloogiad võimaldavad luua täpseid, vastupidavaid ja peene struktuuriga võrestikke.
Katsetused näitasid, et INFLUX-kütus juhib soojust umbes kolm korda efektiivsemalt kui tavalised kütusevardad. Katses kasutati erinevaid jahutusvahendeid – nii gaase kui ka vedelikke – ning tulemused jäid sarnaseks kõigil juhtudel.
Idaho riikliku labori teadlane Nicolas Woolstenhulme rõhutas, et selline hüpe suurendab otseselt kütuseelemendi võimsustiheduse. See tähendab paremat reaktori majandust ja rohkem energiat sama mahuga südamikust. Samal ajal väheneb oht jõuda ohtlikult kõrgete temperatuurideni.
Võrestikstruktuur võimaldab kujundada kütuse õhemaks ja madalamatel temperatuuridel töötavaks. See vähendab termilisi pingeid ja võimalikku materjali väsimust. Lisaks piirab selline kuju neutronite “põgenemist” reaktori südamikust, mistõttu kütus kasutatakse põhjalikumalt ära.
Tee reaalselt töötavate reaktoriteni
Prototüübist kommertskasutuseni jõudmine on siiski pikk protsess. Suurimad väljakutsed on massiline tootmine ja töökindluse testimine reaalseis tingimustes. Kõige tõenäolisemalt leiab see tehnoloogia esmalt rakendust mikroreaktorites ja gaasijahutusega reaktorites.
Kui tehnoloogilised ja majanduslikud takistused õnnestub ületada, võib loodusest õpitud kütusekuju anda tuumaenergiale uue tõuke. See oleks viis suurendada võimsust ja samal ajal tõsta ohutust, ilma et oleks vaja muuta tuumafüüsika põhiprintsiipe – piisab, kui muuta kütuse kuju.
