Jedinou skutečnou alternativou pro lidstvo je atom (I)

Pro název článku jsem použil poměrně odvážné tvrzení, ale jsem přesvědčen o jeho pravdivosti. Slovy klasika: "Můžeme o tom diskutovat, můžeme o tom vést spory, můžeme s tím i nesouhlasit, ale to je všechno, co se proti tomu dá dělat". Vzpomněl jsem si v této souvislosti na profesora Heřmanského, legendu české jaderné energetiky, který svým studentům na přednáškách říkává: "Nejsem fanouškem jaderné energetiky, ale zatím nic lepšího nemáme".

Trocha historie

Chtěl bych se v tomto článku věnovat především perspektivám jaderné energetiky, ale v době, kdy si připomínáme 20. výročí černobylské katastrofy, neuškodí, když se podíváme i do historie.

Štěpení jader uranu po ozáření neutrony objevili v roce 1938 Otto Hahn a Fritz Strassmann. Už v roce 1942 uskutečnil první kontrolovanou štěpnou řetězovou reakci americký fyzik italského původu Enrico Fermi. V pionýrských podmínkách pod tribunou chicagského stadionu postavil se svým týmem "atomový milíř", který se skládal z uranu a grafitu. Fermi věděl, že jsou jádra uranu nejlépe štěpitelná takzvanými pomalými neutrony. K jejich zpomalování (moderaci) sloužil právě grafit. První řetězovou reakci ukončil takzvaný "brzdař", který zasunutím kadmiové tyče do útrob reaktoru reakci po půl hodině bezpečně zastavil. Bylo známo, že kadmium je prvek, který silně pohlcuje neutrony, proto byla nad reaktorem připravena "parta sebevrahů", kteří měli za úkol, v případě nekontrolovatelného rozběhu řetězové reakce, "uhasit" reaktor kbelíky s kadmiem.

Atomový milíř E. Fermiho

Největšího pokroku ve výzkumu štěpení bylo dosaženo, bohužel, během projektu Manhattan. Na projektu vývoje první jaderné bomby se podíleli nejvýznamnější fyzici, mnozí budoucí nositelé Nobelovy ceny. Jeden z nich - Richard Feynman, popisoval první ostrý test, který proběhl v červenci 1945 takto: "Pak přišla ta chvíle a tam v dálce se objevil děsivý záblesk. Viděl jsem, jak se bílá záře mění na žlutou a oranžovou. Mračna kouře se vytvářela a zase zanikala, tak jak se tlaková vlna stlačuje a rozpíná. Nakonec velká oranžová koule, jejíž střed tak zářil, začíná stoupat, trochu se rozpíná a na okrajích černá a člověk vidí, že je plná ohně a kouře a plameny z ní šlehají ven". Tento Feynmanův zážitek trval necelou minutu. Výbuch byl čtyřikrát silnější, než vědci očekávali a teplota v epicentru byla třikrát vyšší než v nitru Slunce. Tehdy si vědci uvědomili, že s tímto druhem energie si není radno zahrávat. Na dlouhá léta potom na jadernou energii vrhaly neblahý stín výbuchy v Hirošimě a Nagasaki.

Katastrofa v Černobylu

Když už lidé začali jadernou energii brát jako přijatelnou, přišla rána z čistého nebe. 26. dubna 1986 vybuchl reaktor 4. bloku černobylské elektrárny. Protijaderní aktivisté často používají tuto katastrofu k útokům proti jaderné energii jako takové. Dnes ale už i středoškoláci vědí, že černobylské reaktory typu RBMK jsou konstrukčně i principiálně zcela odlišné od dnes ve světě nejrozšířenějších typů reaktorů. RBMK (reaktor balšoj moščnosti kanalnyj) je konstruován na principu samostatných palivových kanálů, v nichž jsou umístěny palivové články. Kanály kolmo procházejí velkými cylindrickými grafitovými bloky, které slouží ke zpomalování neutronů. Do kanálů se zespodu přivádí voda, která se průchodem ohřívá a mění na páru, která je vedena na separátory a dále přímo na turbínu. Tento typ reaktorů se stavěl pouze v bývalém Sovětském svazu. Nejrozšířenějšími reaktory na světě jsou tzv. tlakovodní reaktory. Mezi ně patří i naše dukovanské a temelínské. Ty jsou konstruovány jako tlakové nádoby, ve kterých jsou v těsném uspořádání umístěny palivové soubory. Jako chladivo i moderátor je použita voda o vysokém tlaku (v případě Dukovan je to přibližně 12 MPa). Do prostoru dna tlakové nádoby se přivádí voda o teplotě kolem 270 stupňů Celsia, která se průchodem aktivní zónou ohřeje o 30 stupňů. Pára se vyrábí až v tepelném výměníku zvaném parogenerátor. Jde o zcela odlišnou konstrukci - jako chladivo i moderátor se používá voda. Výhodou tlakovodních reaktorů jsou záporné zpětné vazby - když se voda více ohřívá, vede to k horší moderaci a tedy k utlumení štěpné řetězové reakce. Pokud by se v reaktoru začala voda vařit, ubývalo by moderátoru a vedlo by to také k utlumování štěpení. Jednoduché fyzikální principy tak zajišťují bezpečnost reaktoru. Černobylský typ reaktoru se však vyznačoval kladnou zpětnou vazbou - takzvaným kladným dutinovým koeficientem reaktivity. Pokud se voda vypařovala více, vedlo to ke zlepšování moderování (moderátorem nebyla voda, ale grafit) a tím k dalšímu rozvoji řetězové reakce. Při dodržování předpisů nebyl problém tyto reaktory regulovat a i při tomto nedostatku se nedaly označit za nebezpečné. Černobylskou katastrofu způsobila až kombinace nevhodné konstrukce s hrubým porušením provozních předpisů. K neštěstí nedošlo za normálního provozu, ale během experimentu, který měl prověřit, jak dlouho bude elektrický generátor, po uzavření přívodu páry na turbínu, schopen svým doběhem napájet čerpadla havarijního chlazení. Podle plánovaného průběhu experimentu mělo dojít ke snížení výkonu reaktoru na 700-1000 MW tepelných, následně se měly odpojit čerpadla havarijního chlazení, aby nenajela během testu a poté mělo následovat uzavření přívodu páry na turbínu. Zahájení testu bylo na požadavek dispečinku odloženo o 9 hodin - blížil se svátek práce, podniky chtěly splnit své závazky, takže byla zvýšená spotřeba elektřiny. V následném průběhu testu pak na příkaz vedoucího směny operátoři hrubě porušili několik předpisů. Výkon reaktoru klesl v důsledku odkladu až na 30 MW. Operátoři výkon zvýšili na 200 MW vytažením regulačních tyčí (v reaktoru jich zůstala polovina povolené hodnoty). Při této výkonové hladině je reaktor silně nestabilní a je hluboko pod minimálním výkonem povoleným pro test. Po uzavření průtoku páry na turbínu se snížil i průtok vody do reaktoru - teplota začala stoupat a s rostoucím množstvím páry se začal projevovat zmiňovaný kladný dutinový koeficient, který vedl k dalšímu zvyšování výkonu. Katastrofa už byla neodvratná. Posledním impulsem bylo paradoxně havarijní odstavení reaktoru, ke kterému se operátoři rozhodli. Přispěla k tomu další konstrukční vada reaktoru - spodní část regulačních tyčí byla vyrobena z grafitu, takže při zahájení zasouvání tyčí se do reaktoru nejprve zasouval grafit a došlo k dalšímu zlepšení moderace a dalšímu razantnímu zvýšení výkonu. Poté došlo po sobě ke dvěma mohutným výbuchům. Výkon byl tak velký, že pára odsunula horní betonovou desku reaktoru o váze 1000 tun. Do reaktoru vnikl vzduch a reakcí vodní páry s rozžhaveným grafitem vznikl vodík, který vzápětí explodoval a rozmetal do okolí palivo a 700 tun radioaktivního hořícího grafitu. Nedošlo tedy k jadernému výbuchu (jak se mnozí laici domnívají), ale k výbuchu páry a vodíku. Následky však byly nepředstavitelné.

Věnoval jsem se černobylské katastrofě možná více, než jsem měl původně v úmyslu, ale pokud píšu článek o perspektivách jaderné energetiky v dubnu roku 2006, nemohu se tomuto tématu vyhnout. Po černobylské havárii došlo k velkému tlaku na zvyšování bezpečnosti stávajících reaktorů. Pravděpodobnost úmrtí v důsledku havárie jaderného reaktoru je dnes srovnatelná s pravděpodobností, že vás trefí do hlavy meteorit. Je to pravděpodobnost o mnoho a mnoho řádů menší, než riziko spojené s automobilismem a dalšími činnostmi, kterým se denně věnujeme. Žádná průmyslová technologie není bez rizika, je třeba zvažovat, jaká úroveň rizika je pro lidstvo přijatelná.

Schéma bloku s reaktorem RBMK

Schéma bloku s reaktorem VVER

Perspektivy jaderné energetiky

Podle Světové rady pro energii (World Energy Council) se globální potřeba zdrojů elektřiny během příštích 25 let zdvojnásobí ze současných 3,5 na 7,1 terawatt, což představuje růst 2,4 % ročně. Česká republika není výjimkou - v roce 2005 byla u nás spotřeba elektřiny dokonce o 3,9 % vyšší než v předcházejícím roce. Musíme se samozřejmě zaměřit na úspory energií a na zavádění moderních (méně energeticky náročných) technologií, ale představa, že nás úspory zachrání od potřeby výstavby nových zdrojů, je krajně naivní. Přírodní podmínky a přístup k surovinám je v různých částech světa rozdílný, ale obecně můžeme říci, že jedinými zdroji, které mohou uspokojit stále rostoucí hlad po elektřině jsou uhlí a jádro. Plyn je příliš drahý a máme navíc ještě v živé paměti, jak zranitelnou se ukázala Evropa, když Ukrajina bojovala s Ruskem o ceny této suroviny. Slunce, voda, vítr nebo biomasa budou vítaným doplňkem velkých zdrojů, ale například v České republice se stěží podaří splnit náš závazek výroby 8 % v obnovitelných zdrojích. Dokud bude dostatek uhlí, bude vhodné, v zájmu diverzifikace zdrojů, stavět uhelné i jaderné elektrárny. Musíme si však uvědomit, že tu uhlí nebude věčně a že v zájmu snižování emisí skleníkových plynů by se současný poměr uhlí:jádro měl otočit ve prospěch jaderných elektráren. Tento trend už se dá v současnosti ve světe pozorovat. Například Čína od roku 2002 vybudovala šest jaderných elektráren a v příštích 15 letech jich plánuje postavit dalších třicet. Do roku 2050 chce mít celkem 150 reaktorů. Japonsko plánuje do roku 2011 zvýšit podíl elektřiny z jádra na 30 %. Tohoto cíle chce dosáhnout výstavbou dalších elektráren o celkové kapacitě 17,5 GW. Nové jaderné zdroje se uvádějí do provozu i v Rusku. Evropa je, stejně jako Spojené státy, zatím ještě zdrženlivá, ale je to dáno tím, že v současnosti zatím nepociťujeme takový nedostatek elektřiny, jako je tomu v rychle rostoucích asijských ekonomikách. První evropskou vlaštovkou je Finsko, kde se staví jaderná elektrárna v lokalitě Olkiluoto, o nových jaderných blocích se začíná mluvit ve Francii, ale i dalších evropských zemích. Německo začíná přehodnocovat svoje plánované odstoupení od jaderné energie. Prezident Bush prohlásil, že Amerika začne opět stavět nové jaderné elektrárny do konce této dekády.

Prognóza vývoje světové spotřeby elektřiny (v miliardách kWh)