Sen o čistém jádru

Když explodovaly jaderné pumy v Hirošimě a Nagasaki, lidé nejdřív ustrnuli v hrůze - a v zápětí propadli euforii nad novým zdrojem síly. Ford předvedl studií osobního automobilu Nucleon, který měl být poháněn malým jaderným reaktorem a předseda americké komise pro jadernou energii Lewis Strauss prohlásil: "Naše děti budou mít (díky atomu) elektřinu tak levnou, že se ani nebude vyplácet měření její spotřeby." Něco podobného tehdy sliboval Britům také předseda jejich jaderné komise Walter Marshall. Jiní dokonce věřili, že elektřina brzy bude úplně zadarmo, asi jako vzduch u benzínových čerpadel.

Od té doby uběhlo půl století - a pohádky o čisté elektřině skoro zadarmo se vyprávějí pro změnu v souvislosti s termonukleární fůzí. Naproti tomu reálná jaderná energetika má v současné podobě dva velké problémy: nedostatek paliva (izotopu uranu 235U), které vydrží sotva na 100 let (tedy jen o málo víc než ropa a o dost méně než uhlí) a jaderný odpad, který naopak bude radioaktivní celá tisíciletí.

Kdyby to bylo obráceně, hned by budoucnost technické civilizace vypadala lépe. Na první pohled nesplnitelné přání - ale právě něco takového chtějí dokázat jaderné reaktory čtvrté generace.

Není uran jako uran

Teoreticky je sice obrovské množství energie ukryté v jakékoliv hmotě, prakticky ji ovšem v současných reaktorech dokážeme dostat jen ze dvou prvků - přesněji, ze dvou jejich izotopů. Jde o uran, který má v jádru 235 neutronů (235U) a plutonium s 239 neutrony (239Pu).

Uran sám o sobě není prvek nijak hojný, navíc se jeho velká část nachází ve velmi rozptýlené podobě. Ale i tam, kde je v těžitelné formě, ho ruda obsahuje v průměru jen asi jedno procento. Ale ani to není všem špatným zprávám konec. Těžce získaný kov je ještě ke všemu z 99,3 procent tvořen izotopem 238U, který je dnes pro energetické účely nepoužitelný. Žádoucí 235U je zastoupen necelým 0,7 procenta.

Tuto přírodní směs izotopů sice v některých typech reaktorů (tzv. těžkovodní reaktory) lze použít přímo, pro technologickou náročnost se ale toto řešení používá jen výjimečně. Mimochodem, první československá jaderná elektrárna A1 měla "spalovat" právě přírodní uran. Její provoz však byl v tichosti ukončen po dvou vážných nehodách, kolem nichž je dodnes mnoho nejasného.

Plutonium se v přírodě nevyskytuje prakticky vůbec, vyrábí se uměle bombardováním uranu neutrony v jaderných reaktorech nebo urychlovačích.

Odpad na začátku i konci

Jaderná energetika tedy nezatěžuje prostředí jen na výstupu vyhořelými články, ale už při jejich výrobě. Odpady vzniklé při těchto procesech dodnes představují ekologickou zátěž na mnoha místech České republiky. Přesto se o nich v současné diskusi o "čistotě" jaderné energie nemluví.

Na výstupu to je ovšem ještě horší. Vyhořelý článek obsahuje velké množství různých radioizotopů, z nichž některé mají poločas rozpadu i tisíce let. Kdyby měli pralidé jaderné elektrárny, ještě dnes bychom potkávali stráže crogmagnonců hlídající vchody do jejich úložišť odpadu.

Hospodárnost využití paliva ještě zhoršuje to, že ani všechen 235U se v reaktoru nespotřebuje. Ve světě proto existují nebo se staví zpracovatelské závody, které umí z vyhořelých článků vytěžit materiál pro výrobu nových - nespotřebovaný 235U a plutonium, které vzniklo při jaderných reakcích. Jde však o velmi nákladný proces, který navíc předpokládá přepravu nebezpečného materiálu na velké vzdálenosti. Některé země proto s přepracováváním ani nepočítají. Uvádí se, že klasický energetický reaktor o výkonu 1000 MW ročně vyprodukuje přibližně 20 krychlových metrů odpadu. Pokud je vyhořelé palivo přepracováváno, zmenší se tento objem na 3 krychlové metry ročně. Konečným produktem ale nakonec stejně jsou silně radioaktivní odpady, které je potřeba někam bezpečně uložit.

Řešení na tisíc let

Už v polovině minulého století byly známé postupy, které nedostatek jaderného paliva řeší - a jednou pro vždy, nebo alespoň na tisíce let. Jde o takzvané rychlé množivé reaktory, které při svém provozu vyrobí víc paliva, než spotřebují.

To, co na první pohled vypadá jako perpetuum mobile, ve skutečnosti není žádný zázrak odporující fyzikálním zákonům. Pouze se do aktivní zóny takových reaktorů kromě palivových článků vloží také izotopy, které by jinak byly energeticky nevyužitelné, například uran 238, nebo thorium 232. Intenzívní tok neutronů vznikajících při štěpné reakci je přemění na izotopy vhodné pro výrobu energie: uran 233, 235 nebo plutonium 239. A rázem je po energetických krizích, protože 238U je přibližně stokrát víc než 235U - a thoria je ještě třikrát víc než obou izotopů uranu dohromady.

Takové reaktory už celá desetiletí fungují jak v laboratořích, tak při výrobě energie. Velkou pozornost jim věnuje zejména Indie, která má největší zásoby thoria na světě - a jaksi mimochodem i ambiciózní program jaderného vyzbrojování. A to je první nevýhoda: rychlé množivé reaktory produkují velké množství materiálu vhodného pro výrobu nukleárních zbraní, což zvlášť v zemích třetího světa není právě ideální.

Bohužel to není nevýhoda poslední, protože tento typ reaktorů má také technické a ekonomické vady na kráse. Pracují při vyšších teplotách, takže se pro odvod tepla obvykle používají roztavené kovy či soli, což je složité, drahé a někdy i nebezpečné. Také další úprava paliva, které v nich bylo vyrobeno, není snadná - je nutné komplikovanými postupy oddělit energeticky využitelné izotopy od ostatních produktů jaderného rozpadu, což představuje složitou manipulaci se silnými zářiči a dalšími látkami, které by v lese za svým domem asi měl rád málokdo.

Reaktor chlazený inkoustem

Současné množivé reaktory sice jsou při dnešních cenách uranu nerentabilní, to se ale v budoucnosti může změnit - a nejen v důsledku hladu po energii. Odborníci věří, že na tomto principu je možné zkonstruovat tzv. reaktory IV. generace, které nebudou mít nevýhody těch dnešních. Jako palivo budou používat přírodní uran či thorium - ale také jaderné odpady klasických reaktorů, což by omezilo požadavky na kapacitu trvalých úložišť. Některé z nich by kromě elektřiny vyráběly také vodík z vody pro pohon spalovacích motorů nebo palivových článků v elektromobilech. Energetika založená na reaktorech IV. generace by se tak časem úplně obešla bez fosilních paliv.

Ve skutečnosti ale je IV. generace spíš vize než konkrétní řešení - jde o cíl, k němuž se má jaderná energetika blížit z různých směrů. Pojem vyhlásilo ministerstvo energetiky Spojených států roku 2000 jako součást iniciativy "Mezinárodní fórum pro IV. generaci" (GIF), k níž se přidaly další státy. Teprve pak se začaly hledat cesty, jak tento sen naplnit. Roku 2004 GIF z přibližně stovky návrhů vybralo šest nejperspektivnějších koncepcí takových reaktorů. Odhadované náklady na další vývoj se pohybují okolo šesti miliard dolarů, prognózy dotažení do komerčně použitelné podoby se značně liší. V médiích se mluví o horizontu 10 až 20 let, oficiální materiály GIF uvádějí rok 2030 a odborný časopis Nucweek rok 2045.

Vize vzbuzuje kritiku i mezi samotnými jadernými experty. "V dohledné době nedokáží reaktory IV. generace nahradit ty dnešní, v nejlepším případě je snad jednou mohou doplňovat," tvrdí mnichovský vědec Ralf Güldner, prezident evropského jaderného fóra FORATOM. A ironicky dodává: "Nejbezpečnější reaktor používá jako moderátor novinový papír a je chlazený inkoustem."

Historie reaktorů

I. generace Prototypy komer-čních reaktorů z 50. a 60. let.

II. generace Reaktory postavené v 70. a 80. letech, nyní tvoří páteř jaderné energetiky. Nejběžnějšími typy jsou lehkovodní reaktory (např. Temelín) a těžkovodní reaktory (např. CANDU v Kanadě).

III. generace Někdy označované jako "pokročilé reaktory", vznikají od 90. let minulého století. Od roku 1996 fungují například v Japonsku, do této kategorie spadá i nový reaktor EPR ve Finsku. Ve Spojených státech získal licenci reaktor AP-600 od Westinghouse Company.

III+ generace Procházejí vývojem nebo jsou ve schvalo-vacím řízení u regulátorů. Patří sem především reaktory s kuličkovým keramickým pali-vem PBMR (s výstavbou počítá Čína) a americký AP-1000.

IV. generace Vize množivých reaktorů s příznivými ekonomickými parametry. Místo tradiční vody budou využívat k chlazení látky umožňující provoz s mnohem vyšší teplotou a tím i účinností. Dokáží při svém provozu současně produkovat nové palivo - přeměňovat na palivo jaderný odpad nebo izotopy, které dnešní reaktory využít neumí.

Jaké palivo se využívá

Uran - V přírodě se vyskytují izotopy 238U a 235U v poměru 99,3:0,7. V dnešních energetických reaktorech je jako palivo použitelný pouze uran 235. Pro výrobu energie je vhodný také izotop 233U, který se však v přírodě běžně nevyskytuje.

Thorium - V přírodě se vyskytuje izotop 232Th, který je pro energetické účely nevhodný. Vystavením neutronovému záření se však může přeměnit na izotop uranu 233U, který je (stejně jako 235U) vhodným palivem pro reaktory.

Plutonium - vysoce radioaktivní jedovatý prvek, který se v přírodě nevyskytuje. Vyrábí se uměle bombardováním uranu 238 neutrony. K energetickým účelům se používá izotop Pu239.

6 cest k reaktorům 4. generace

(ekologičtější, ekonomičtější a bezpečnější než současné)

1. GRF
rychlý reaktor chlazený plynem

2. LRF
rychlý reaktor chlazený olovem

3. MRF
rychlý reaktor chlazený roztavenou solí

4. SFR
rychlý reaktor chlazený sodíkem

5. SCWR
reaktor chlazený vodou, která je pod tlakem při velmi vysoké teplotě

6. VHTR
reaktor s vysokými teplotami (asi 1000 °C)

AUTOR: Jan A. Novák

AUTOR-WEB: www.ihned.cz