Jedinou skutečnou alternativou pro lidstvo je atom (II)

Nové generace reaktorů

Často se v souvislosti s přípravou nových projektů hovoří o reaktorech III. a IV. generace. Co toto označení znamená? Nová generace jaderných reaktorů je založena na zdokonalení existujících typů a využívá ověřené konstrukční prvky a dostupná technologická vylepšení. Třetí generace jaderných reaktorů se vyznačuje zvýšenou bezpečností a spolehlivostí zařízení. K důležitým parametrům III. generace reaktorů patří nižší investiční náklady, kratší doba výstavby, delší životnost, méně radioaktivního odpadu a celkově vyšší efektivnost provozu. Do III. generace reaktorů můžeme zařadit například projekt EPR - Evropský tlakovodní reaktor (AREVA - Framatom ANP), který se v současnosti staví ve Finsku. Nejde tedy o žádné sci-fi, ale o projekty připravené ke komerčnímu využití. Do této generace můžeme zařadit i americký projekt AP 600 (BNFL - Westinghouse) nebo varné reaktory SWR-1000 (AREVA - Framatom ANP) a ABWR (General Electric - 2 běží a 2 jsou ve výstavbě v Japonsku). I u nás známé reaktory VVER mají své následovníky III. generace - jsou to projekty VVER-1000 typ V-392 nebo VVER-640 typ V-407 (Atomstrojexport). Všechny zmíněné projekty se vyznačují zjednodušenou konstrukcí v porovnání se svými předchůdci. Některé z nich jsou konstruovány dokonce jen jako dvousmyčkové (dva parogenerátory) namísto dnešních čtyřsmyčkových (Temelín) nebo dokonce šestismyčkových (Dukovany). Tyto bloky tak mají méně potrubí, méně ventilů a čerpadel a méně kabeláže, což vede ke zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti. Jejich hlavním rysem je ale vyšší využití pasivních bezpečnostních prvků. Jde například o pasivní chlazení aktivní zóny, které může fungovat i několik dní bez dodávky elektrické energie. V neposlední řadě byl kladen důraz i na zvýšení efektivity provozu, takže tyto reaktory ušetří téměř jednu pětinu paliva a vyprodukují o 15 % méně radioaktivních odpadů, než jejich současní předchůdci. Projektová životnost těchto reaktorů bude minimálně 60 let.

Ale ani s těmito moderními projekty se odborníci nesmířili. Již dnes se na mezinárodní úrovni rozvíjí spolupráce na projektech IV. generace reaktorů. Ty by měly přijít na řadu po roce 2030. Jejich projekty musí splňovat přísná kritéria bezpečnosti, spolehlivosti a ekonomičnosti. Zároveň nesmí (stejně jako současné reaktory) ohrožovat dohodu o nešíření jaderných zbraní. Do kategorie ekonomičnosti spadá například přijatelné riziko pro investory, časový úsek výstavby elektrárny ne delší než tři roky či cenová konkurenceschopnost výroby elektřiny ve srovnání s ostatními zdroji v regionu. Pro bezpečnost byly zase určující faktory jako například mizivá pravděpodobnost poškození aktivní zóny reaktoru nebo tolerance reaktoru k chybám lidské obsluhy. Zatímco v současnosti je běžná provozní teplota v lehkovodních reaktorech do 330 stupňů Celsia, u reaktorů IV. generace se pohybuje od 510 do 1000 stupňů. Reaktory by tak dokázaly zajistit dostatečně vysoké teploty nutné k termochemickým postupům výroby vodíku.

Kam s ním?

Na začátku 90. let minulého století se odpůrci jaderné energetiky soustřeďovali především na kritiku bezpečnosti. Záhy ale pochopili, že bezpečnost jaderných elektráren je na velmi vysoké úrovni, která nemá v žádném jiném oboru lidské činnosti obdoby. Proto se následně zaměřili na poukazování na neefektivnost výroby elektřiny v těchto zdrojích. Realita však ukázala, že i tyto argumenty jsou liché. Jaderná elektrárna Dukovany patří k nejlevnějším výrobním zdrojům společnosti ČEZ. V dnešní Evropě už také pomalu ale jistě jaderné elektrárny poráží ve výrobních nákladech ostatní zdroje. Podobně je tomu i ve Spojených státech. Japonsko a Čína nestaví nové a nové jaderné bloky z plezíru, ale pro jejich vysokou efektivitu a snížení závislosti na fosilních zdrojích.

Posledním, i když diskutabilním, argumentem, který zůstává zeleným v rukou je problematika jaderného odpadu. Materiáloví inženýři tvrdí, a nemám důvod jim nevěřit, že dokáží připravit materiály pro kontejnery odolné po tisíce let, geologové dokáží najít lokality, kde mohou zajistit stabilní prostředí po statisíce let. Není tedy problém oddělit vyhořelé palivo od biosféry po potřebně dlouhou dobu (dokud nepoklesne jeho radioaktivita na přijatelnou úroveň). Přiznám se ale, že nejsem fanouškem trvalého ukládání. Vyhořelé jaderné palivo totiž obsahuje ještě velké množství štěpitelných izotopů a je tak velmi cennou surovinou. Italský nositel Nobelovy ceny Carlo Rubia před lety navrhl metodu takzvaných transmutací. Tyto systémy se dnes vyvíjejí v široké mezinárodní spolupráci a Česká republika patří na přední místo. Jde o systémy známé pod zkratkami ADTT (Accelerator Driven Transmutation Technology), čili urychlovačem řízené transmutační systémy. Vysoce radioaktivní prvky (s dlouhým poločasem rozpadu) jsou vystaveny silnému toku neutronů, přičemž dochází k jejich transmutaci - vznikají z nich izotopy se středními nebo dokonce krátkými poločasy rozpadu. To znamená, že z materiálu s poločasy rozpadu v řádu tisíců nebo desetitisíců let dostáváme prvky s poločasy do 30 let. Současně v těchto reaktorech dochází ke štěpení, takže mohou být využívány pro výrobu elektřiny. Je jasné, že uložení materiálu, který by vyžadoval oddělení od biosféry po dobu 150 let (radioaktivní materiál se považuje za zcela rozpadlý po uplynutí přibližně pěti poločasů rozpadu) si už dovedeme představit snáze. Realisté odhadují možnost výstavby prvního prototypu takového zařízení po roce 2020.

Každopádně mezisklady v lokalitách našich jaderných elektráren jsou projektovány na dobu 60 let, takže budeme mít dostatek času se rozhodnout, zda vyhořelé palivo ukládat, přepracovávat či transmutovat.

Po štěpení přijde fúze

Jaderná bomba založená na slučování lehkých prvků (tzv. vodíková) byla vyvinuta vzápětí po bombě štěpné. Řízená termojaderná reakce je však dnes stále ještě v nedohlednu. Abychom přinutili lehká jádra ke slučování, musíme překonat odpudivé elektrostatické síly (jádra mají kladný náboj). Pokud se nám podaří tyto síly překonat a dostat jádra dostatečně blízko sobě, začnou nad elektrostatickými převládat síly jaderné, které jsou mnohem silnější, ale mají jen velmi malý dosah. Překonat odpudivé síly můžeme tak, že dodáme jádrům dostatečně velkou kinetickou energii. Jak známo - čím vyšší teplota hmoty, tím je vyšší rychlost částic v ní obsažené. Stačí tedy hmotu (plazmu) zahřát na dostatečně vysokou teplotu. Háček je však ve slůvku dostatečně. Je třeba dosáhnout teploty několika milionů stupňů Celsia. Jsou to podobné podmínky, které panují v nitru hvězd, kde termojaderná fúze probíhá samovolně. Udržet takovou hmotu stabilní je velmi složité. Zatím se to vědcům daří po doby řádově jen několika sekund. Neexistuje materiál, který by dokázal odolávat tak vysokým teplotám. Proto jsou termonukleární reaktory konstruovány, zjednodušeně řečeno, jako uzavřená trubice, ve které je plazma udržována v prstenci silným magnetickým polem, takže se nedotýká stěn. Pro slučování můžeme využít nejrůznějších izotopů lehkých prvků. Můžeme slučovat například izotopy vodíku. Při sloučení dvou jader deuteria vzniká jádro helia a volný neutron nebo jádro tritia a vodíku, nebo můžeme slučovat jádra lithia s jádry deuteria za vzniku dvou jader helia apod. Při těchto reakcích se uvolňuje obrovské množství energie. Výhodou je, že zdroj energie je prakticky nevyčerpatelný. Mořská voda obsahuje v jednom metru kubickém 33 gramů deuteria a 500 kg paliva by stačilo pro roční provoz reaktoru o výkonu 500 MW. Další výhodou je, že při slučování nevznikají dlouhodobě radioaktivní izotopy.

Schéma fúze dvou jader deuteria

Velké naděje jsou vkládány do mezinárodního projektu ITER http://www.iter.org (International Thermonuclear Experimental Reaktor), který by už měl sloužit pro vývoj komerčně využitelných technologií. Bude to jistě běh na velmi dlouhou trať, ale jsem přesvědčený, že se v budoucnosti podaří přivést fúzi k energetickému využití.

Schéma řezu termojaderným reaktorem ITER

Mohu se závěrem znovu vrátit k nadpisu tohoto článku a dovolit si soukromou prognózu. Jsem přesvědčen, že jedinou seriózní možností pokrytí rostoucích energetických potřeb lidstva v budoucnosti je atom. V první polovině století to budou především nové generace klasických (štěpných) reaktorů a budu-li optimista, mohu očekávat, že ve druhé polovině nebo ke konci století začnou tyto zdroje nahrazovat reaktory fúzní.