Reaktor "generace III+" a jiné aktuální otázky jaderné energetiky

V době, kdy je už zřejmé, že zásoby ropy, zemního plynu a fosilních energetických zdrojů vystačí jenom na několik desetiletí, je logické, že stále větší pozornost a naděje se upírají hlavně k využívání energie z jader atomů.

Dá se říci, že v současné době dochází ke druhé vlně zaujetí nukleární energií. První začala v 50. letech minulého století a trvala až do druhé poloviny let 70. V té době ve světě množství elektřiny vyrobené v jaderných elektrárnách v USA, Francii, tehdejším SSSR a málokde jinde rostlo v úhrnu průměrných 30 % ročně.

Pak ale přišly první pochybnosti. Důvěra veřejnosti v jadernou energii byla otřesena haváriemi v americké jaderné elektrárně Three Mile Island v roce 1979 a ještě více potom katastrofou v ukrajinském Černobylu v roce 1986. Odborníci samozřejmě zjistili, že k nehodám došlo vinou nedodržování někdy i elementárních bezpečnostních zásad a nedodržením technologických předpisů, čili vinou lidského faktoru, a nikoliv tím, že by procesy štěpení jádra nebylo možno zvládnout. Image jaderné energetiky však utrpěl velmi vážné šrámy a stoupenci jádra se museli - alespoň na čas - stáhnout.

Produkce elektřiny z jaderných elektráren od té doby sice rostla, ale ne rychleji než produkce z jiných energetických zdrojů, a tak ve světové struktuře zdrojů výroby elektřiny podíl jádra setrvává na cca 16 %.

Některé země se dokonce rozhodly uzavřít své jaderné programy - Švédsko, Belgie, Španělsko, Itálie, Německo, Nizozemsko, přičemž Rakousko sice svoji jadernou elektrárnu dostavělo, ale zakonzervovalo ji. Až v posledních letech vinou rostoucích cen ropy dochází v těchto i jiných zemích k přehodnocování redukčních programů.

Většina dnes fungujících 442 jaderných elektráren ve světě je podle údajů Světové nukleární asociace (WNA) už hodně starých, což je míněno především z technického hlediska. Po zmíněných dvou velkých haváriích a značném množství menších nehod vzrostly i náklady na zabezpečovací zařízení a investiční náklady na výstavbu nových "jaderek", takže modernizace a nová výstavba jsou dražší než dříve. K výstavbě nových docházelo donedávna i dnes víceméně jen v Rusku a v asijských zemích.

Je pozoruhodné, že stagnace jaderné energetiky po Černobylu se nedotkla vůbec, nebo jen málo asijských zemí, jež hodlají využívat energii jádra pro svou hospodářskou expanzi, a také kvůli politické prestiži. Navíc pociťují "hlad po energii". Jde hlavně o Čínu a Indii, které jsou dnes také velkými nákupčími uranové rudy. Na jádro silně sází i Japonsko, které je na suroviny a energetické zdroje relativně ještě chudší, než jiné země, a tak mu vlastně ani nic jiného nezbývá.

OLKILUOTO 3 MODERNA V KERAMICKÉ VANĚ

Vývoj nových technologií se však po odeznění černobylského útlumu v posledním desetiletí znovu dostal do tempa a odráží se i v oživení investiční výstavby.To je případ jaderné elektrárny Olkiluoto 3 na ostrůvku u v Botnickém zálivu Baltského moře u jihozápadního pobřeží Finska. Jde o první výstavbu reaktoru v Evropě od černobylské události. Půjde první evropský reaktor na tlakovou vodu EPR - European Pressure Reactor a o první reaktor generace III+.

Výstavba bude stát 3 miliardy EUR a bude dokončena v roce 2011 (původní termín byl o rok posunut). Má vyrábět 1 600 MW proudu, bude to tedy největší jaderná elektrárna na světě. Stavbu, o níž rozhodl finský parlament v roce 2002, provádí firma Teollisuden Voima Oy (TVO) ve spolupráci s řadou finských a zahraničních firem, mezi nimiž hrají prim německý Siemens a francouzská Areva NP (dříve Framatome).

Jde o lehkovodní reaktor, tedy, zjednodušeně řečeno, svého druhu obrovský ponorný vařič, který přeměňuje vodu v páru pohánějící turbíny. Palivové články (tyče) ohřívají vodu, která je však pod vysokým tlakem, a proto se nepřeměňuje v páru, a zůstává v tekutém skupenství. V parním generátoru se v páru mění voda ve druhém okruhu, v kondenzátoru se pak pára sráží ve vodu.

INHERENTNÍ BEZPEČNOST?

Podstatnou inovací v případě Olkiluoto 3 je to, že reaktor bude uložen v obrovské keramické vaně. Tento "Core Catcher"má sloužit k případnému zachycování vytékajícího roztaveného jádra reaktoru. Kolem vany bude dvojitá obálka z betonu a oceli, která bude směrem dovnitř plynotěsná a směrem navenek natolik masivní, že údajně odolá situaci, kdy by se na konstrukci reaktoru zřítilo letadlo. Podle odborníků z Arevy bude reaktor v Olkiluoto 3 zajištěn desetikrát spolehlivěji, než jsou dnes jištěny běžné lehkovodní reaktory. Životnost elektrárny je propočtena na 60 let.

Orientace na EPR je v současné době v jaderné energetice považována za optimální. Areva NP staví čtyři takové reaktory v několika dalších zemích, mj. ve své mateřské zemi ve Flamanville. V USA hodlají tři tamní společnosti postavit čtyři reaktory typu EPR.

I přes jistě důkladný systém jištění v Olkiluoto 3 jsou s výstavbou spojeny určité otázky, na které dosud nejsou jasné a jednoznačné odpovědi. Pokud jde o pojem "inherent safety" (čili podstatnou či neodmyslitelnou bezpečnost), pak experti připouštějí, že o té nebude možno v daném případě mluvit, ani když bude nový reaktor jištěn mnohem důkladněji než ty dříve postavené reaktory na tlakovou vodu. Jaderná elektrárna totiž funguje na stejném principu jako atomová bomba, s tím rozdílem, že v jejím případě je řetězová reakce při štěpení uranového jádra do značné míry technicky kontrolována. Nicméně stav úplné inherentní jistoty by nastal teprve tehdy, kdyby se řetězová reakce zastavila automaticky sama, bez lidského zásahu, např. v situaci, kdy by byl zastaven přívod chladicí kapaliny.

RIZIKO ZNEUŽITÍ MILITARISTY A TERORISTY

Jiným problémem spojeným s rozvojem jaderné techniky je skutečnost -v dnešních časech aktuálnější než dříve - že mnoho komponentů je možno použít jak pro civilní potřebu (tedy pro jaderné elektrárny), tak pro militární účely a terorismus. Technické propojení mezi uranem a plutoniem např. umožňuje vyrobit jadernou bombu. Jadernou technologií dnes disponuje řada zemí v neklidných oblastech světa, i když v různém stupni její vyspělosti - Indie, Pákistán, Izrael, Severní Korea anebo Írán. Obchod se štěpným materiálem se děje nejen legálními, ale i nelegálními cestami, takže přístup k němu si může získat stát anebo organizace, třeba i dosti obskurní, pokud disponuje dostatkem peněz a dostane se k potřebným kontaktům.

ŠTĚPNÝM MATERIÁLEM SE PLÝTVÁ

Nejde však jen o to, kdo rozvíjí a případně zneužívá jadernou techniku, ale i o plýtvání jaderným materiálem, podíváme-li se na spotřebu štěpného materiálu z hlediska současné jaderné techniky a technologie. Podle rozborů MAAE ve Vídni a WNA jsou všechny dosud fungující reaktory vyslovenými "žrouty uranu". V roce 2005 spotřebovaly jaderné elektrárny na světě 64 500 tun přírodního uranu. Přitom na světě činí rezervy uranu 1,9 milionu tun tohoto kovu - jde o rezervy, které se vyplatí hospodárně těžit, tj. na jejichž těžbu se vyplatí vydat v přepočtu 40 dolarů za 1 kilogram. Z porovnání uvedených cifer vyplývá, že při konstantní spotřebě by rezervy stačily zhruba ještě na 30 let. Tedy zhruba na stejnou dobu, po kterou mají ještě vystačit dosud známé zdroje ropy. Je tedy možno považovat uran za nástupce ropy jakožto dominantního energetického zdroje?

Jestliže se vezmou v potaz i další prokázané či spíše předpokládané zásoby uranu, které by bylo možno těžit mnohem dráže, konkrétně s náklady cca 130 dolarů na 1 kg, pak by se podle propočtů německého Spolkového ústavu pro geovědy a suroviny dalo vydržet sice déle, ale ne o mnoho - totiž 67 let (počítáno od roku 2006). Je možno počítat i s tím, že se objeví ještě nová ložiska uranu na zeměkouli, jejichž těžba by zajistila, že bude k dispozici déle, ale v takových případech by náklady na vytěžení jednoho kilogramu mohly být razantně vyšší (např. při těžbě v Antarktidě nebo z mořského dna).

ZKUŠENOSTI NEDOBRÉ I SLIBNÉ

Určitým východiskem z tohoto stále hrozivěji se rýsujícího nedostatku uranu by mohlo být uskutečnění starého snu o vytvoření "uzavřeného palivového okruhu", a to s pomocí zařízení na znovuzpracování již použitého jaderného paliva a tzv. rychlých množivých reaktorů (též "plodivé" reaktory - breeder). V těchto reaktorech se při štěpení jader atomu uvolňují nadbytečné neutrony, které jsou pohlcovány izotopem Uran 238, a ten je možno štěpit sice podstatně hůře, ale zato se tento izotop vyskytuje nepoměrně častěji než dobře štěpitelný Uran 235.

Uran 238 se přitom mění v plutonium, jež se dá zpracovat do podoby nových palivových tyčí pro reaktory. Tímto způsobem je možno zásobu přírodního uranu teoreticky zvýšit o faktor 60.

To je teorie, v praxi to vypadá střízlivěji. V USA byl sice už v roce 1946 spuštěn pokusný množivý reaktor Clementine, ale rozšíření se tento postup nedočkal. Převládly názory, že je málo spolehlivý a že plutonium, které při procesu vzniká, je velký bezpečnostní problém . Malý množivý reaktor Monju spustili také Japonci, ale po požáru v roce 1985 se k němu už nevrátili. Také Britové měli model, který ale nepracoval spolehlivě, a proto byl v roce 1994 uzavřen. Stejně skončil v roce 1997 i množivý reaktor Superphenix ve Francii, ten zase z finančních důvodů. V SRN se vynaložilo několik mld. EUR na přípravu takovéhoto reaktoru v Kalkaru, ale nakonec ani nebyl uveden do provozu. Ani druhý pokus v Německu nevyšel - šlo o 300MW vysokoteplotní reaktor HTR (Hochtemperaturreaktor) Hamm-Uentrop.

Poněkud paradoxní je, že podle údajů databanky WNA funguje dobře a je naplno využíván jedině množivý reaktor BN-600 v Rusku.

Naskýtá se domněnka, zda v uvedených případech příliš nepřevládly pochopitelné organizační potíže a zda byly vždy splněny patřičné technické a technologické podmínky. Myšlenka HTR je totiž odborníky považována stále za progresivní, a ke stavbě takovýchto reaktorů přistoupilo v poslední době několik zemí. Jihoafrický energetický koncern Escom např. pracuje na demonstračním modelu HTR, který má být dokončen do roku 2012. Escom uvažuje, že malé HTR potom bude vyrábět "jako na běžícím pásu" a za přijatelné ceny ve velkém vyvážet. V Číně funguje malý HTR s plynovým chlazením s kapacitou 10 MW od roku 2003. Palivem pro tyto reaktory jsou grafitové kuličky veliké jaké tenisové míčky. V každé je uloženo asi 10 tisíc zrníček oxidu uranu o velikosti špendlíkové hlavičky. Chlazení, odvod tepla a pohon turbín zajišťuje plynné helium.

ÚLOŽIŠTĚ ODPADU Z ELEKTRÁREN

Velkým problémem, který citelně brzdí rozvoj jaderné energetiky, je stále nevyřešený problém ukládání odpadu z jaderných elektráren. Od doby, kdy byl díky štěpení atomového jádra vyroben první elektrický proud, už uběhlo téměř 60 let, a přesto pro ukládání odpadu dosud neexistuje ani jedno definitivní úložiště. Přitom na zeměkouli ročně přibývá cca 10 000 m3 radioaktivního odpadu.

Existují návrhy, jak ukládat odpad do soli, do jílů, do žulových masivů anebo je zalévat do skla, ale proti všem jsou vznášeny důvodné námitky. Největším dosavadním úložištěm na světě je lokalita v pohoří Yucca v Nevadě v USA. Počítá se s jeho postupným dobudováním, ale práce se protahují a rozpočty, v nichž jde o miliardy dolarů, jsou kráceny. Otazník se vznáší i nad úložištěm v bývalém solném dole v Gorlebenu v SRN. Finové v tomto směru snad budou moci udělat krok dopředu. Nedaleko Olkiluoto 3 totiž hloubí hluboko v žulovém podloží jeskyni, která má sloužit jako definitivní úložiště odpadů z elektrárny. Jde o 4 km dlouhou spirálovitě vedenou chodbu, která půjde až do 480 m pod zem. Odpad zde bude uložen ve velkých železných válcích obalených měděným pláštěm, dlouhých 4,8 m, z nichž každý bude vážit 25 tun. Stavba úložiště má být dokončena do roku 2020 a kapacita by měla vystačit pro celé 21. století. Válce s odpadem budou obaleny bentonitem a chodby budou nakonec zasypány a zapečetěny.

Je pravda, že za předpokladu, že z elektráren neuniká radioaktivita a že i jinak tyto provozy dodržují řádně pravidla bezpečnosti a ochrany lidí a přírody, jde v jejich případě i tzv. čistou výrobu elektřiny, na rozdíl od tepelných elektráren. Podle Alana MacDonalda z MAAE se v přepočtu na 1 kWh vyrobeného proudu z uranu od okamžiku jeho vytěžení až po uložení odpadu po jeho využití uvolní jenom 6 g uhlíku, což je hodnota zanedbatelná ve srovnání s tím, kolik uhlíku se uvolní při těžbě, přepravě a spalování uhlí.

V BUDOUCNU: REAKTORY GENERACE IV

Z iniciativy vlády USA byla v roce 2000 ustavena organizace Generation IV International Forum, v níž je kromě Spojených států zastoupeno ještě deset dalších států, které v jaderné technice představují špičku. Cílem snah organizace je stimulovat a koordinovat práce na vývoji reaktoru čtvrté generace. Podle zásady fóra musí být jaderná elektrárna budoucnosti vysoce efektivní, inherentně bezpečná, produkovat jen minimum odpadů a mít technologii, která nebude moci být zneužita k vývoji a šíření jaderných zbraní. Při bližším pohledu lze říci, že činnost členů fóra se zaměřuje zejména na rozpracovávání a postupnou realizaci několika koncepcí:

- rychlé množivé reaktory chlazené plynem, sodíkem nebo olovem,

- reaktor se solnou taveninou,

- superkritický lehkovodní reaktor,

- vysokoteplotní reaktor chlazený plynem,

- transmutace, tj. přeměna izotopů s dlouhou životností v izotopy s krátkou životností.

Pro realizaci programu fóra bylo uvolněno 6 mld. dolarů a do roku 2030 by měly vzniknout první prototypy příslušných zařízení, přičemž to nemusí být ve všech výše uvedených dílčích vývojových směrech.

PENÍZE - PODMÍNKA I BRZDA TECHNICKÉHO VÝVOJE

I když se v souvislosti s další cestou jaderné energetiky hovoří nejvíce o tom, že by měla nastoupit místo využívání docházejících zásob klasických zdrojů, a o problémech s radioaktivitou a celkovou její bezpečností, upozorňuje generální ředitel WNA pan John Ritch na to, že možnost tento vývoj ovlivňovat je určována bohužel hlavně jiným faktorem, a tím jsou náklady, resp. peníze. Už při stavění jaderných elektráren je nutno počítat s obrovskými náklady - podle zjištění WNA stojí stavba elektrárny v přepočtu na 1 kilowatthodinu potom v ní vyprodukovanou 1 500 až 2 200 dolarů.

Pokud se pracuje se standardizovanými díly a postupy, lze tento ukazatel stlačit až na zhruba 1 200 USD (přičemž však v případě elektrárny poháněné plynem jde jen o polovinu). Poměrné náklady v jaderné elektrárně se během jejího provozu sice snižují, ale je to až za dlouhé období, a v případě bezporuchového provozu. V. Plichta


Ověřené a předpokládané zásoby uranu a jeho produkce ve světě v roce 2005 v tunách

Oblast Ověřené Předpokládané Produkce

zásoby zásoby

Evropa 29 244 506 000 594

SNS 628 281 2 719 000 10 550

Afrika 545 459 1 877 000 7 248

Blízký Východ 30 375 102 000 10 110

Austrálie +Asie 798 537 2 291 000 12 635

Severní Amerika 447 200 3 976 000 130

Latinská Amerika 163 797 1 379 000 594

OECD 1 183 364 4 873 000 22 119

EU-25 15 980 445 000 474

OPEC 19 368 197 000 nezjištěno

SVĚT 1 947 383 12 849 000 41 267

Pramen: WNA 2006



Přehled rozestavěných a plánovaných jaderných elektráren ve světě

Země Počet rozestavěných Počet plánovaných

bloků JE bloků JE

Brazílie -

Bulharsko - 2

Čína 5 13

Finsko 1 -

Francie - 1

Indie 7 4

Írán 1 2

Japonsko 2 11

JAR - 1

Jižní Korea 1 7

Kanada 2 2

Pákistán 1 1

Rumunsko 1 -

Rusko 3 8

Tchaj-wan 2 -

Ukrajina - 2

USA 1 2

Pramen: WNA 2006