“Toto není místo cti a slávy”, má stát vytesáno v kameni. A nápis pak pokračuje v tomto patetickém duchu dále: “Nepřipomíná se tu žádná slavná osobnost, neleží tu nic cenného. To, co tu leží, by bylo pro nás nebezpečné a odpudivé. Toto poselství je varováním před nebezpečím.”

To není kletba u vchodu do starobylé mohyly. Vzkaz se má nacházet u vchodu do dlouhodobého úložiště jaderného odpadu, které bylo vybudováno v hloubce přes 600 metrů ve stabilních horninách pod pouští v Novém Mexiku. Obrovský komplex tunelů a jeskyní označovaný jako WIPP ( Waste Isolation Pilot Project) je určen k ukládání nejnebezpečnějšího jaderného odpadu americké armády.

Tento odpad zůstane smrtelně nebezpečný déle než 300 tisíc let. Tedy zhruba stejnou, možná o něco delší dobu, než po kterou Homo sapiens chodí po povrchu planety. WIPP je dnes jedním ze dvou funkčních hlubinných úložišť na světě. Druhé zařízení tohoto typu bylo v roce 2020 otevřeno ve Finsku. 

Až se zařízení někdy v příštích 10 až 20 letech naplní, budou jeskyně zavaleny a uzavřeny betonem a zeminou. Rozsáhlý komplex budov, které v současnosti na místě stojí, bude kompletně zdemolován. Na jeho místě vznikne “největší vědomý pokus naší společnosti o komunikaci přes propast času”.

Plánovat na další desítky či stovky tisíc let totiž samozřejmě nedokážeme. Nikdo si netroufne říci, co bude v příštích desetiletích, natož delší časových horizontech. A pokud lidstvo upadne nebo zcela vymře, a přijdou jiné inteligentní bytosti, jejich setkání s jaderným by rozhodně nemuselo být příjemné.  

Varovat budoucnost

Plán pro WIPP počítá s obrovskými zhruba sedm metrů vysokými žulovými sloupy, které budou označovat vnější hranici celého areálu, jehož rozloha je 10 kilometrů čtverečních. Ve středu tohoto území, přímo nad samotným úložištěm,  pak má být val zeminy 10 metrů vysoký a 30 metrů široký. Uvnitř tohoto valu pak budou další čtyři žulové sloupy. 

Uprostřed této monumentální obdoby nápisu “Zákaz vstupu” bude místnost s informacemi o úložišti. Pro případ, že by se informace staly nečitelnými, bude na stejném místě pohřbena identická zpráva. A další kopie bude v samotné valu. Podrobné informace o WIPP budou uloženy v mnoha archivech po celém světě na speciálním papíře opatřeném razítkem s pokynem, že musí být uchovávány po dobu 10 tisíc let. To je doba, po kterou má zatím úložiště licenci. 

Vítejte ve světě jaderné sémiotiky. Rozsáhlé krajinné úpravy navržené pro potřeby WIPP jsou v nemalé míře ovlivněny science fiction. Jaderní fyzici, inženýři, antropologové, spisovatelé sci-fi, umělci a další dohromady vytvořili esoterický obor, který chce budoucí lidské generace – a vůbec všechny, kdo přijdou po nás – varovat před smrtonostným dědictvím našeho jaderného průmyslu.

Stavba trvalého úložiště jaderného odpadu WIPP pro potřeby ozbrojených sil USA (foto US DoD)
Stavba trvalého úložiště jaderného odpadu WIPP pro potřeby ozbrojených sil USA (foto US DoD)

Mohlo to být horší

Pokud se vám zdá zvolené řešení pro WIPP poněkud přehnané, vězte, že není zdaleka tak “originální” jako některé jiné navržené nápady. Neprošel například návrh pokrýt lokalitu lesem masivních betonových trnů. Nebo nápad vytvořit atomový kultu, jehož kněžstvo by s pomocí legend a rituálů vštěpovalo budoucím generacím nábožný strach z místa, kde odpad leží. (Výraz “atomoví kněží” v této souvislosti poprvé použil zřejmě lingvista Lingvist Thomas Sebok v roce 1981.)

Neprosadil se ani myšlenka vytvořit speciální živý Geigerův počítač, tedy detektor radiace. Měly jím být kočky, které by při ozáření měnily barvu. Předpoklad byl, že by se lidé naučili těchto změn bát a vyhýbali by se místům a situacím, ve kterých jejich domácí mazlíčci náhle změní barvu. (“Radiokočky” se staly relativně populárním memem a přežívají například na tématickém zboží, třeba tričkách, takže tak špatný nápad to zřejmě nebyl.)

Tento a další nápady se zrodily v rámci zcela vážně míněné iniciativy “Pracovní skupiny pro lidské zásahy” (míněno zásahy do úložiště). Vznikla v roce 1981 v souvislosti s projektem dodnes nedokončeného úložiště pod Yucca Mountain ve státě Nevada. Tato pracovní skupina je všeobecně považována za zakladatele oboru jaderné sémiotiky. 

Budou na to dbát

Na její práci navázala Agentura pro jadernou energii (NEA) se sídlem v Paříži prostřednictvím “Iniciativy pro zachování záznamů, znalostí a paměti napříč generacemi” (RK&M Initiative), která začala pracovat v roce 2011 a jejíž závěrečná zpráva byla zveřejněna v roce 2019. nEA je mezivládní agentura, která podporuje spolupráci mezi 33 zeměmi s vyspělou infrastrukturou jaderných technologií. U mezinárodní organizace nepřekvapí, že její návrhy nemají už originální půvab původní americké komise. Doporučuje například děla fyzické připomínky ve větším počtu, třeba i o velikosti mincí, aby je nešlo snadno vymazat z historického záznamu. Třeba aby je nebylo možné jednoduše strhnout. Svítící kočky či založení nového náboženství to není, ale zato se řada podobných doporučení dá opravdu v praxi provést.  

Ale i přes řadu existujících doporučení neexistuje jasná shoda, jak problém řešit. Není to nic překvapivého – nejlepší metoda se nedá nijak experimentálné ověřit. A dosavadní historické příklady komunikace vzdálených generací s jejich následníky nevyznívají jednoznačně. 

Jednoduché značení rozhodně nemůže stačit. Studie Mezinárodní agentury pro atomovou energii zjistila, že i dnes může jen 6 % světové populace rozpoznat symbolem radiace (tedy známý černý “trojlístek” s kroužkem uprostřed na žlutém pozadí). 

Najdou se univerzálnější symboly, které jsou srozumitelné déle. Po zemětřesení a následné tsunami v roce 2011 se například ukázalo, že lidé celkem dobře chápu význam 1000 let starých kamenů, které varují právě výskytem těchto vln a vyznačují v krajině místo, kam v minulosti tyto katastrofy zasáhly. Ale také se ukázalo, že řada obyvatel varování ignoruje a staví v oblastech ohrožených tsunami. I když lidé o riziku ví, vyhodnocují ho jinak, než by si autoři varování přáli. Bezprostřední existenční tlaky či prostě jejich potřeby a záliby pro ně mají mnohem větší váhu, než by si plánovači přáli. I když zprávě porozumí, není jisté, zda na ni budou vůbec dbát. 

Podzemní prostory úložiště Onkalo ve Finsku (foto Posiva)
Podzemní prostory úložiště Onkalo ve Finsku (foto Posiva)

Finové na to jdou jednoduše

Zmíněná RK&M Initiative nakonec dospěla zjednodušeně řečeno k závěru, že úložiště by měla být vyznačena vícero způsoby. Nemělo by se spoléhat na jeden jediný, protože žádný se nezdál dostatečně spolehlivý a přesvědčivý. Je to pochopitelné a opatrné řešení. Ale ne každému se zdá. 

Například první civilní dlouhodobé úložiště jaderného odpadu, finské Onkalo, je založen na úplně jiném konceptu. V Onkalo bude po tisíce let izolováno použité palivo ze všech finských jaderných reaktorů v hloubce přibližně 450 metrů pod povrchem země. Použité palivo se bude balit do ocelovoměděných kanystrů v nadzemním zapouzdřovacím zařízení, odkud budou převezeny do podzemních tunelů úložiště, a dále do místa finálního uložení – hnízd těsněných bentonitovým pufrem.

Až se úložiště naplní, jeho stavitelé zahladí všechny stopy jeho existence. Úložiště leží v plochém, pevném a stabilním skalním masivu na ostrově Olkiluoto v Baltu, byl původně pokryt převážně borovým lesem. A tak by měl vypadat i po dokončení všech prací a úprav. 

Finové se rozhodli jednoduše budoucí generace nevarovat a zároveň ani nepokoušet. Oblast je natolik geologicky stabilní, že by měla řádově stovky tisíc let přežít bez otřesů. A technologie ukládání odpadů podle nich bude tak spolehlivá, že by se měla obejít bez zásahu člověka. 

Nabízí se tak myšlenka, že o tom, jak kdo uloží svůj nejtrvanlivější odhad, nerozhodují nakonec něco komise. Možná hraje větší roli povaha organizací, zemí a národů, které problém řeší. Finsko zvolilo krajně nenápadné řešení. Americké ozbrojené síly po sobě nechají třikrát zálohovanou monumentální památku. Může to být náhoda? 

Jaderná energetika je v západním světě poněkud šedivá. Pokud se nějaké reaktory staví, jsou do značné míry jeden jako druhý: vždy jde o víceméně obdobný typ „temelínských“ lehkovodních reaktorů. Ovšem i když jde o vyzkoušený a osvědčený typ, i náročností technologie jsou tyto reaktory v současné podobě prostě příliš drahé. Jak Češi ví z vlastní zkušenosti.

„Jádro“ má ovšem celou řadu různých podob, které mají své výhody – a samozřejmě i nevýhody. Možná by některý alternativní typ mohl pomoci vyřešit současný finanční problém oboru. V Evropě či USA se ovšem s netradičními typy reaktorů dnes experimentuje sporadicky. Je zapotřebí za nimi často vyrazit do vzdálenějších konců světa.

Jedním z center dnešních (řekněme rovnou, že i globálně relativně skromných) snah o hledání alternativy je Čína. Tamní firmy i instituce pracují na vývoji několika různých typů. Jeden z nich se dokončuje v elektrárně Š‘-tao-wan (pinyin přepis je Shidaowan, pod tím ho najdete v angličtině) na východním pobřeží Číny.

V elektrárně mají stát postupně dva malé modulární reaktory, každý o výkonu zhruba 200 megawattů (MW) tepla, které dohromady mají roztáčet jedinou turbínu (malé jsou reaktory s výkonem pod 300 MW, modulární znamená, že se dají jednoduše skládat do bloků.) Ta využije se zhruba poloviční účinností vyprodukované teplo k výrobě elektřiny a do sítě tak má dodávat maximálně zhruba 210 MW elektrického výkonu.

Ke startu reakce alespoň prvního reaktoru by mělo dojít údajně snad během letošního roku. Zatím v elektrárně probíhají ovšem hlavně nejaderné zkoušky. Letos v srpnu například úspěšně proběhla první provozní zkoušky turbíny. Při které byla samozřejmě poháněna “nejadernou” parou.

Ale nejaderná část zařízení by neměla představovat velký problém. Samotné reaktory mohou být větší oříšek. Čína si totiž na tomto zařízení má vyzkoušet hned dvě zajímavé technologické novinky: méně tradiční reaktor pracující s vysokou teplotou a také možnosti „skládaných“ elektráren.

Plný kuliček

Reaktor označovaný jako HTR-PM (anglicky High Temperature Gas Cooled Reactor – Pebble-Bed Module, tedy zhruba „Plynem chlazený vysokoteplotní reaktor s ,oblázkovým‘ palivem“) používá jako palivo uran, přesněji řečeno oxid uraničitý. Obsahuje 8,5 procenta aktivního uranu 238, tedy zhruba na jednotku objemu dvakrát více než u běžných komerčních reaktorů. Ještě nezvyklejší je, že palivo se do reaktoru nenakládá v podobě tyčí, nýbrž malých kuliček o průměru šesti centimetrů. Právě proto se o tomto typu reaktoru občas hovoří jako o „oblázkovém“ (doslovný překlad anglického „pebble reactor“).

V jednom jediném reaktoru v Š‘-tao-wanu má takových kuliček být nasypáno zhruba čtvrt milionu. Velkou výhodou této formy paliva, jak ukázaly jiné, menší projekty, je možnost průběžné výměny paliva za chodu reaktoru. Můžete si jednoduše představit, že reaktor je jakési velké silo, do kterého se shora sype čerstvé palivo a dole vypadává vyhořelé. Cesta jednoho „oblázku“ reaktorem přitom trvá řádově měsíce.

Každý oblázek v čínském reaktoru obsahuje sedm gramů uranu, většinu objemu kuličky totiž tvoří grafit. Ten nejen fyzicky chrání a drží pohromadě samotné palivo a vznikající jaderný odpad, ale také bude sloužit ke „zpomalování“, odborně řečeno moderování neutronů.

Obecně totiž platí, že neutrony odlétají z rozbitých jader tak rychle, že mají jen malou šanci zasáhnout další atom paliva. Udržet redakci v jaderném reaktoru tedy není jednoduché, pokud nechcete používat vysoce obohacené palivo (což s sebou nese například velká bezpečnostní rizika), nebo postavit opravdu neprakticky velký reaktor.

Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)
Reaktorová nádoba reaktoru HTR-PM před uložením na místo v roce 2017. V budově je postavena na výšku. Ta je zhruba 25 metrů, samotná aktivní zóna, kde probíhá reakce, pak 11 metrů. V její spodní části je také vidět otvor, kde se z něj odstraňuje vyhořelé palivo, nové se doplňuje shora. (foto CNC)

Většina reaktorů (ne všechny, ale to teď není důležité) tak obsahuje právě i moderátor, tedy materiál, o jehož atomy se neutrony vzniklé při reakci „zbrzďují“. V případě nejběžnějších, tzv. tlakovodních reaktorů k tomu slouží právě voda. Ovšem grafit má pro to velmi vhodné vlastnosti a v minulosti se jako moderátor mnohokrát používal. Známým příkladem je například „černobylský“ reaktor typu RBMK.

Čím tepleji, tím lépe

Ale byť v Černobylu způsobila ohromné problémy hořlavost grafenu, velkou výhodou tohoto materiálu je i to, že snáší vysoké teploty. A HTR-PM by měl být specialista na vysoké teploty. Pracovní teplota by se měla pohybovat kolem 1000 °C, což dnes nejrozšířenější moderátor, tedy vodu, samozřejmě vylučuje. (Reaktor je samozřejmě hermeticky uzavřený a atmosféra neobsahuje kyslík, jinak by to v Š‘-tao-wan vypadalo opravdu jako v Černobylu.)

Voda ovšem v tlakovodních reaktorech neslouží pouze jako moderátor, slouží také jako chladič, který odvádí vznikající teplo z aktivní zóny reaktoru ven, a k turbínám. To musí tedy u čínského modulárního reaktoru obstarat jiná látka, v tomto případě hélium.

Hélium je sice poměrně drahé, ale má celou řadu dalších výhod. Jako inertní plyn nereaguje s materiály v reaktoru dokonce ani při taktových vysokých teplotách – a ani při případných vyšších teplotách po eventuální nehodě. To z hlediska životnosti i bezpečnosti jsou kladné body, a tak i hélium už zažilo svou jadernou premiéru dávno před reaktorem HTR-PM.

Dohromady použité materiály poskytují zajímavé možnosti, které u komerčních reaktorů nenajdeme. Jde především o vysokou pracovní teplotu, která nejen zvyšuje relativní účinnost přeměny tepla v elektřinu (50 % je nadprůměrné číslo), ale také otevírá nové možnosti využití. Často se zmiňuje možnost výroby vodíku z vody pomocí tzv. jód-sirného procesu, který vyžaduje teploty právě kolem 1000 °C.

To samozřejmě otevírá možnost zapojení reaktorů do „vodíkové ekonomiky“. Ovšem nejde o triviální úkol: práce s reaktivními sloučeninami při tak vysokých teplotách není jednoduchá a klade velké nároky na používané materiály. Plynem chlazený reaktor tohoto typu má i další výhody, například je možné u něj poměrně jednoduše regulovat výkon v rozmezí řádově desítek procent, takže by měl na pružněji reagovat na požadavky regulátora. Ale nejvyšší efektivitu by měl mít stejně v režimu konstatní výroby, takže není jasné, zda se tato možnost může někdy prakticky využívat.

Zdroj s maximální výstupní teplotou kolem tisíce stupňů Celsia by ovšem samozřejmě mohl najít i jiné využití, například v petrochemii, metalurgii, snad i při odsolování mořské vody, atd. A zastánci konceptu také připomínají, že reaktory by mohly nahradit dnešní uhelné elektrárny třeba pro vytápění domácností. Může to být praktické? Netušíme, ale je jasné, že hlavní roli bude hrát cena. A tady v tomto ohledu zatím s atomovými zdroji nejsou příliš dobré zkušenosti. A s vysokoteplotními reaktory už vůbec.

Složíme se na to?

Reaktor pracující s takto vysokými technologiemi vyžaduje velmi kvalitní materiály i zpracování. Levný a jednoduchý může být těžko. Projekt Š‘-tao-wan by tento problém chtěl vyřešit způsobem, který – stejně jako chlazení héliem a oblázkové palivo – navrhovali či zkoušeli jiní, ale zatím nikdo neuspěl. Reaktory HTR-PM by se měly vyrábět sériově.

V Š‘-tao-wanu zatím mají stát pouze dva, snad už během dvou let by se měly začít stavět větší celky, ve kterých jednu turbínu má pohánět šest malých reaktorů, takže dohromady budou mít výkon zhruba 600 MW elektrických. Pokud se tak opravdu stane, čínské reaktory HTR se stanou prvním skutečným příkladem dlouho slibované třídy tzv. „malých modulárních reaktorů“. 

Uvidíme, zda bude také prvním úspěšným příkladem. Studie OECD před několika lety odhadovala, že bez sériové výroby je cena jednoho malého reaktoru na jednotku výkonu je zhruba o 50 až 100 procent vyšší než u velkých tlakovodních reaktorů. Protože HTR-PM je poměrně technicky náročný projekt, cena bude spíše vyšší. Je sice pravdou, že reálné ceny za dostavbu stejných elektráren jsou tedy podle odhadů o více než polovinu nižší než v USA a Evropě, ovšem v Číně je levnější i konkurence.

Jedinou záchranou se zdát být jen výroba ve velkém, nic jiného nedává ekonomický smysl. Ta je možná ovšem pouze v případě, že se projekt neukáže příliš technologicky náročný, uvádění do provozu proběhne bez velkých komplikací a provoz sám bude bezproblémový.

Odborníci v jaderné elektrárně Temelín zkontrolovali při odstávce druhého bloku tlakovou nádobu reaktoru. Je ve velmi dobrém stavu, umožňuje provoz další desítky let, uvedl ČEZ na základě výsledků.

Stav bloku odpovídá bezpečnostním požadavkům. Tlakovou nádobu reaktoru druhého bloku prověřovalo téměř dva týdny zařízení v hodnotě desítek milionů korun. Odborníci posuzovali pomocí ultrazvuku celistvost a tloušťku materiálů, využili i kamery. Prozkoumali 100 metrů čtverečních, které považují za reprezentativní vzorek stavu nádoby. Druhý blok byla během měření v dvouměsíční odstávce, která má skončit na přelomu srpna a září.

“Loni jsme takto zkontrolovali tlakovou nádobu na prvním bloku. I letošní výsledky naplnily naše očekávání. Také tlaková nádoba reaktoru druhého bloku je ve velmi dobrém stavu a umožňuje bezpečný provoz další desítky let,” uvedl ředitel temelínské elektrárny Jan Kruml. Dodejme, že to sice může být jeho odborný názor a klidně i pravda, ale samozřejmě nejde o závazné prohlášení. Ve skutečnosti jaderná elektárna dostává povolení od Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) vždy na desetileté období. První blok dostal povolení v loňském roce, druhý by měl dostat svolení k provozu snad ještě během letošního roku.

Temelín je největší výrobce elektřiny v zemi, kryje zhruba pětinu domácí spotřeby. ČEZ uvedl elektrárnu do provozu v prosinci 2000. Loni vyrobil Temelín 15,75 terawatthodiny (TWh), letos od začátku roku 8,6 TWh. V Česku se stále hovoří o tom, že v Temelíně by se mohly dostavět jeden nebo dva nové jaderné bloky. Ale tato možnost se stává v blízké budoucnosti stále méně pravděpodbonou – Česko má evidentně problém připravit jaderný tendr tak, aby se opravdu uskutečnil. Kdy a jestli se to někdy změní, je dnes otevřená otázka.

Jaderná energetika má v Česku neotřesitelnou pozici levného a spolehlivého zdroje. Ve většině světa je ovšem situace odlišná. Někteří odborníci se obávají, že současné snahy o vyřešení největších problémů “jádra” ovšem míří špatným směrem. 

Kam dál

Jedna z nejslavnějších předpovědí v historii jaderné energetiky se ukázala být naprosto falešnou. Vyslovil ji v roce 1954 tehdejší předseda americké Komise pro atomovou energii Lewis Strauss, který slavně předvídal, že elektřina vyrobená z jádra bude nakonec “tak levná, že se ji nevyplatí měřit” – míněno samozřejmě od hodiny. Dnes má jaderná energetika přesně opačný problém a patří jednoznačně jaderná energie k nejdražším formám elektřiny. Cena je mnohem 

Straussův nástupce v komisi, nositel Nobelovy ceny Glenn Seaborg, v roce 1971 předpověděl, že jaderná energie bude do roku 2000 zdrojem téměř veškeré elektřiny na světě. Dnes je podíl jaderné energie na celosvětové výrobě elektřiny pouze 10 %. 

Jaderné zdroje jsou samozřejmě doménou hlavně rozvinutých zemí, takže v nich je jejich podíl na výroby vyšší. Například ve Spojených státech jde na vrub “jádra” zhruba 20 procent celkové výroby elektrické energie. Česko je ve světových měřítkách výjimkou, protože zhruba 40 procent naší výroby elektřiny pochází z reaktoru v Temelíně a Dukovanech. Přesto, že obě země jsou dnes v mnoha ohledech odlišné situaci, stojí před podobným problémem – ani jedna země neví, jak postavit nové reaktory za přijatelnou cenu. 

Přitom důvody, proč nové reaktory stavět, jsou jasné, srozumitelné a shodne se na něm velká část odborníků i veřejnosti (byť ne všech zemích světa, samozřejmě): jaderné zdroje jsou velmi spolehlivý a přitom bezemisní zdroj elektřiny, který tak ve snaze o omezování emisí má oproti zemnímu plynu a uhlí zjevné výhody. Na rozdíl od většiny obnovitelných zdrojů (tedy především fotovoltaiky a větrných elektráren) přitom může dodávat do sítě elektřinu spolehlivě a předvídatelně za každého počasí. 

Hlavně peníze

Jistě, současné, tzv. lehkovodní reaktory, označované tak, protože k chlazení používají obyčejnou vodu, nikoliv tzv. vodu těžkou, mají své potíže. Existují u nich stále alespoň teoretické riziko vážných havárií, které se musí technicky a bezpečnostně ošetřit, což s sebou samozřejmě nese určité náklady. navíc vytvářejí radioaktivní odpad, z něhož se malá část musí bezpečně uložit až řádově na stovky tisíc let.

Ale vše bledne před jiným problémem: cenou. Stavba jaderného reaktoru je jistě složitá operace, vyžaduje velmi pečlivé plánování a dozor, evidentně se ovšem dá dobře zvládnout. Problém jsou především peníze, a to jak v USA, tak v Česku. (Snad s tím malým rozdílem, že zatímco v Česku je výroba z jádra dnes už velmi levná, v USA má část stárnoucích jaderných reaktorů ve Spojených státech má velké problémy cenově konkurovat levnějším zdrojům elektřiny, což je za oceánem především zemní plyn z tamních nalezišť.) 

Není to žádné tajemství. Česko je malá země, ta trend prodražování jaderných zdrojů sama nezlomí. Ale Spojené státy se pokusily. Na přelomu tisíciletí se tamní vláda pokusila zastavit úpadek amerického jaderného průmyslu a podpořit “renesanci” jaderné energetiky. V roce 2005 poskytl Kongres zhruba 20 miliard dolarů ve formě federálních úvěrových záruk na nové jaderné reaktory. 

Výsledkem mnohamilionové kampaně jsou pouze dva nové lehkovodní reaktory Westinghouse AP1000, které se stále staví v Georgii, každý s cenou 14 miliard dolarů, tedy více než dvojnásobkem původně odhadovaných nákladů. Ruku v ruce se zdražením jde i prodlužování výstavby, která trvá více než dvojnásobek odhadované doby. Neúspěch je dost možná daný tím, že podpora nebyla dostatečná. V každém případě výsledek je tristní. 

Když se mu nedařilo svět lehkovodní reaktory standardní velikosti (cca 1000 megawattů), obrátil se průmysl v západních zemích ke dvěma dalším strategiím, jak si zajistit větší podíl na trhu. První je stavba malých modulárních lehkovodním reaktorů.

Celkový pohled na jadernou elektrárnu Dukovany
Celkový pohled na jadernou elektrárnu Dukovany (foto ČEZ)

Menší reaktory by se měly dát postavit s menšími kapitalovými náklady. Tím by se měl vyřešit jeden veliký problém – kde a jak si půjčit nezbytné miliardy dolarů na stavbu jednoho bloku – tvrdí jejich proponenti. Kritici zase celkem logicky upozorňují, že vzhledem k tomu, jak fungují úspory z rozsahu, bude menší reaktory na jednotku výkonu dražší než reaktory velké. Zatím těžko říci, kdo má pravdu. Jisté je, že aby byly menší reaktory opravdu levné, musí se vyrábět ve větších množství, v podstatě v sériích, a nic takového se zatím neděje. 

Druhou strategií jaderného průmyslu je odklon od lehkovodních reaktorů k “exotičtějším” typům, které jsou z velké části založeny na neověřených koncepcích starých více než 50 let.

Nová vlna? 

Tyto konstrukce se dnes obecně označují “pokročilé” reaktory. Na rozdíl od lehkovodních reaktorů se tyto konstrukce spoléhají při chlazení na jiné materiály než vodu (například kapalného sodíku, helia či roztavených solí). Společné mají to, že zatím jsou maximálně v jednotkách kusů, a to obvykle ryze experimentálních, nikoliv energetických. Přesto někteří vývojáři tvrdí, že tyto reaktory, které jsou zatím ve fázi konceptu, vyřeší všechny problémy, které trápí lehkovodní reaktory, a budou připraveny k uvedení do provozu do konce desetiletí.

“Zaručeným zprávám” o nové generaci levných, bezpečných a spolehlivých reaktorů těžko odolávají jak technologičtí novináři, veřejnosti, ale i politici a energetičtí plánovači. Hojně se o  nich debatuje v Bidenově administrativě. V Česku někteří analytici navrhují tendr o dostavbu dalších reaktorů odložit do doby, kdy budou na trhu právě reaktory nové generace (v podstatě synonymum pro “pokročilé” reaktory je výraz “reaktory IV. generace”). 

Část odborníků se ovšem obává, že podobné sliby jsou jen novodobu obdobou Straussovy nešťastné předpovědi z poloviny minulého století. K takovému závěru došla například analýza americké organizace “Svaz znepokojených vědců” (USC, čil Union of Concerned Scientists) týkající se vyvíjených konceptů jiných než lehkovodních reaktorů naznačuje, že ano. Zpráva o 140 stranách, zveřejněná v polovině března, dospěla k závěru, že projekty nových reaktorů nejsou o nic lepší – a v některých ohledech jsou podstatně horší – než dnes provozované lehkovodní reaktory.

Bezpečnost, zabezpečení a udržitelnost

Zpráva USC se věnuje hodncení výhod a nevýhod tří hlavních typů nové generace reaktorů: rychlých reaktorů chlazených sodíkem, vysokoteplotních reaktorů chlazených plynem a reaktorů s roztavenou solí. Každý typ hodnotí podle tří obecných kritérií: bezpečnost, rizika šíření jaderných zbraní a terorismu a konečně kritéria tzv. udržitelnosti. Ta popisuje, jak efektivně využívají palivo a kolik produkují jaderného odpadu s dlouhým poločasem rozpadu, který se musí dlouhodobě ukládat.

Požadavky na novou technologii přitom samozřejmě nejsou malé: “Má-li jaderná energie hrát větší roli při řešení změny klimatu, je nezbytné, aby nové konstrukce reaktorů byly bezpečnější, spolehlivější a představovaly srovnatelné nebo ještě lépe nižší riziko šíření jaderných zbraní a jaderného terorismu než stávající flotila reaktorů,” shrnul je pro blog UCS fyzik Edwin Lyman, který se v organizaci věnuje právě otázce bezpečnosti jaderné energetiky. “Navzdory příslibům žádný z těch reaktorů, které jsme zkoumali, nesplňuje všechny tyto požadavky.”

Zpráva UCS se podrobně zabývá nepodloženými tvrzeními vývojářů o těchto konstrukcích. Mnozí vývojáři tvrdí, že budou levnější, bezpečnější a jistější než v současnosti provozované reaktory, že budou efektivněji spalovat uranové palivo, produkovat méně radioaktivního odpadu a snižovat riziko šíření jaderných zbraní a že by mohly být relativně brzy uvedeny na trh.

Jednomu z těchto reaktorů, 345megawattovému rychlému, sodíkem chlazenému reaktoru Natrium společnosti TerraPower, se začátkem letošního roku dostalo značné pozornosti médií. Jedním z investorů do společnosti TerraPower je totiž Bill Gates, který koncept pochválil běhen rozhovorů ke své nové knize “Jak se vyhnout klimatické katastrofě”. V polovině února 2021 Gates ve velmi sledovaném zpravodajském pořadu 60 minut televize CBS řekl, že reaktor Natrium bude produkovat méně jaderného odpadu a bude bezpečnější a levnější než konvenční lehkovodní reaktor.

Podle zprávy UCS by rychlé reaktory chlazené sodíkem byly ve skutečnosti pravděpodobně méně účinné z hlediska spotřeby uranu a nesnížily by množství odpadu, který se musí dlouhodobě ukládat. Mohly by se u nich také vyskytnout bezpečnostní problémy, které u lehkovodních reaktorů nejsou problémem. Například sodíková chladicí kapalina může při kontaktu se vzduchem nebo vodou hořet. Vzhledem k designu reaktor Natrium by u něj také mohlo dojít k nekontrolovatelnému nárůstu výkonu, který by měl za následek rychlé roztavení aktivní zóny.

“Pokud jde o bezpečnost a zabezpečení, jsou rychlé reaktory chlazené sodíkem a reaktory s roztavenou solí výrazně horší než konvenční lehkovodní reaktory,” tvrdí za UCS Lyman. “Vysokoteplotní reaktory chlazené plynem mohou mít potenciál být bezpečnější, ale to se zatím neprokázalo a při nedávných testech bezpečnosti paliva se objevily problémy.”

Model reaktoru Brest-OD-300 (foto Rosatom)
Model reaktoru Brest-OD-300, který patří mezi reaktory IV. generace. Chlazen je tekutým olovem. (foto Rosatom)

Rychlé reaktory mají ještě jednu zásadní nevýhodu. “Historicky,” zdůrazňuje zpráva, “vyžadovaly rychlé reaktory palivo na bázi plutonia nebo [vysoce obohaceného uranu], které by mohly být snadno použity v jaderných zbraních, a proto s sebou nesou nepřijatelná rizika šíření jaderných zbraní a jaderného terorismu.” 

I Natrium by měl využívat obohacenější palivo než dnešní lehkovodní reaktory. Jde to tzv. “nízko obohacený uran s vyšší úrovní obohacení” (HALEU, čili high-assay low-enriched uranium), což je palivo obsahující cca 5-20% procent štěpitelného izotopu uran-235. Běžné lehkovodní reaktory používají nízko obohacené palivo, které obsahuje méně než pět procent tohoto izotopu. HALEU představuje z pohledu rizika šíření jaderných zbraní nižší problém než vysoce obohacený uran, ale pro teroristy usilující o získání jaderné zbraně je atraktivnější než palivo dnešních reaktorů.

Nerealistický časový plán

Problémem je také načasování. Někteří vývojáři tvrdí, že mohou své nelehkovodní reaktory předvést, licencovat a nasadit v komerčním měřítku již za šest let, což jim umožní řešit klimatickou krizi v blízké budoucnosti. Například loni na podzim Ministerstvo energetiky (DOE) poskytlo společnostem TerraPower a X-Energy, vývojáři vysokoteplotního plynem chlazeného “oblázkového” reaktoru (více o tomto konceptu například na této stránce) po 80 milionech dolarů na zahájení provozu prvních komerčních jednotek svého druhu do roku 2027. 

V červnu společnost TerraPower oznámila, že svůj demonstrační reaktor umístí ve Wyomingu. Společnost X-Energy mezitím s největší pravděpodobností umístí svou demonstrační elektrárnu v elektrárně Columbia Generating Station ve státě Washington.

Od konceptu ke komerční jednotce za šest let? Lehkovodní reaktor Westinghouse AP1000 je v tomto ohledu varovným příkladem. Než byl v Číně uveden do provozu první blok tohoto typu, trvalo více než 30 let výzkumu, vývoje a příprav. 

Zpráva UCS na základě tohoto dalších případů odhaduje, že uvedení pokročilých reaktorů do praxe by mohlo trvat 20 let a stát další miliardy. Tak dlouho bude například trvat, než firmy regulačním orgánů dostatečně doloží, že jejich zařízení jsou skutečně spolehlivá, případně postaví demonstrační jednotky a než vznikne infrastruktura nutná na zajištění jejich provozu. 

Analytikům z UCS se v řadě ohledů líbil tzv. reaktor s postupnou vlnou, který vyvíjela jedna ze zmíněných společností, TerraPower, ve které je zapojen Bill Gates. Nevyžaduje přepracování – nebo recyklaci – vyhořelého jaderného paliva, takže z hlediska možného šíření jaderných zbraní jde o zařízení maximálně bezpečné. Bohužel jde o koncept technicky nedozrálý. Možná protho TerraPower práce na konstrukci reaktoru tohoto typu pozastavila ve prospěch projektu Natrium. 

Co dál

Americký jaderný dozor známý jako “Komise pro jadernou regulaci” (NRC, Nuclear Regulatory Commission) možná bude muset při udělování licencí pro technologie reaktorů, které se konstrukčně výrazně liší od současného parku, upravit některé předpisy, ale podle Lymana by to nemělo znamenat uvolnění norem, které chrání zdraví a bezpečnost veřejnosti. Nenachází žádné opodstatnění pro tvrzení, že “pokročilé” reaktory jsou o tolik bezpečnější a spolehlivější, aby NRC mohla z bezpečnostních požadavků slevit. Naopak, protože ohledně těchto reaktorů existuje mnoho otevřených otázek, možná budou muset splňovat ještě přísnější požadavky.

Jinak řečeno, zpráva je k příslibům rychlého technologického řešení současných potíží jaderné energetiky velmi skeptická. “Bohužel zastánci pokročilých reaktorů je propagují jako řešení pro klima a bagatelizují jejich bezpečnostní rizika,” říká Lyman. “Vzhledem k tomu, že komercializace jakékoli nové technologie jaderného reaktoru by měla trvat nejméně dvě desetiletí, pokud je provedena správně, koncepty nesvětlovodních reaktorů, které jsme zkoumali, nenabízejí krátkodobé řešení a mohly by nabídnout dlouhodobé řešení pouze tehdy, pokud by byla odpovídajícím způsobem vyřešena jejich bezpečnostní a ochranná rizika.”

Autor těchto řádek musí upřímně přiznat, že by si přál, aby se Lyman a jeho kolegové pletli. Ovšem zkušenosti s nasazováním nových jaderných technologií a pohled do historie techniky obecně naznačují, že velmi snadno mohou mít pravdu. Přeceňování přínosů novinek a zpoždění jejich nástupu proti plánům nejsou rozhodně nic výjimečného. 

Dne 8. června 2021 byla v Rusku zahájena výstavba nového, olovem chlazeného reaktoru BREST-OD-300. Jde o experimentální zařízení, které má otevřít nové způsoby efektivnějšího využití uranového paliva.

Z technického hlediska jde o rychlý reaktor chlazený tekutým olovem s tepelným výkonem 700 MW a elektrickým výkonem 300 MW. Aktivní zóna reaktoru měří 2,3 m v průměru a 1,1 m na výšku, obsahuje 16 tun nitridovaného paliva.

Energie bude pocházet z nitridovaného uran-plutoniového paliva, obohaceného na 13,5 %. To je výrazně vyšší míru obohacení než je standardní a jde o dražší a také z administrativního hlediska pro provozovatele náročnější řešení. Brest je ovšem především demonstrační zařízení, které by se nemělo nikdy využít ke komerční výrobě elektřiny.

Proč?

Stavba zařízení má jednoduchý důvod. Má hledat způsob, jak využít výrazně vyšší část energie ukryté v uranu. Klasické reaktory mohou pracovat s uranem 235. Brest a další podobná zařízení si ovšem mají v podstatě vyrábět své palivo z podstatně hojnějšího izotopu uran 238, který tvoří zhruba 99,3 procent uranu na Zemi. Mají tedy obrovský potenciál pro recyklaci jaderného paliva, protože jej mohou používat opakovaně bez nějakých fyzikálních omezení.

Klasické reaktory využívají toho, že neutrony s velmi nízkou rychlostí, blízkou rychlosti jejich tepelného pohybu, mají velmi vysokou pravděpodobnost záchytu uranem 235 a jeho štěpení. Při štěpení uranu se uvolňuje několik neutronů, které pak mohou štěpit další jádra uranu, a rozběhne se tak řetězová štěpná reakce.

Tyto neutrony však mají relativně vysokou energii a na tepelné rychlosti se musí zpomalovat srážkami s jádry moderátoru. Nejvíce energie mohou při srážce předat lehkým jádrům. Jako moderátor se tak často využívá voda (lehký vodík a kyslík) nebo uhlík (jako v Černobylu). V klasickém reaktoru tak stačí poměrně nízký tok neutronů k tomu, aby se zajistil stabilní průběh řetězové reakce.

V rychlém reaktoru se neutrony vzniklé ve štěpení nemoderují a využívají se ke štěpení přímo. Proto musí být v tomto reaktoru velmi intenzivní tok neutronů, aby zde probíhala stabilní řetězová reakce. Uran 235 má lichý počet neutronů a po zachycení dalšího neutronu se tento spáruje s přebývajícím lichým a uvolní se dostatek energie na rozštěpení jádra uranu. U uranu 238 energie uvolněná záchytem neutronu k rozštěpení jádra uranu nestačí. Aby se dal využívat v reaktorech i uran 238, musí se záchytem neutronu a následnými dvěma rozpady beta přeměnit na plutonium 239, které má lichý počet neutronů a může sloužit jako palivo.

Palivo pro Brest-OD-300 (foto Rosatom)
Palivo pro Brest-OD-300 (foto Rosatom)

Proces přeměny uranu 238 na plutonium 239 probíhá i v klasických reaktorech. Tam ovšem kvůli nízkému toku neutronů jen omezeně. Naopak v rychlých reaktorech se při správné konfiguraci díky intenzivnímu toku neutronů může vyrobit více plutonia 239, než se ho ve formě paliva spotřebuje. Pak se mluví o množivých reaktorech. Ty by mohly umožnit využít veškerý energetický potenciál uranu i thoria a zajistit provozování jaderné energetiky na tisíciletí. Efektivněji by dokázaly spalovat i transurany, které jsou nejproblematičtější složkou vyhořelého paliva, a značně by tak snížily objem i nebezpečnost jaderného odpadu, který by se ukládal do trvalého podzemního úložiště.

Vyšší hustota štěpení, která je v rychlých reaktorech potřeba, vede k vyšší hustotě produkce tepla a zvyšuje nároky na efektivitu chlazení. Proto se u některých rychlých reaktorů využívá k chlazení tekutých kovů, sodíku (například také ruského BN-800, ale i dalších) či olova jako v případě zařízení Brest. Olovo má z tohoto hlediska tu výhodu, že nereaguje ze vzduchem.

Z konstrukčního hlediska se tedy od vyýrazně liší od běžných reaktorů. Olovo je 11krát těžší než voda, potrubí a další součásti tedy musejí mít naprosto jiné parametry než chladicí okruhy běžných reaktorů. Zároveň ovšem reaktory chlazené kovem mohou pracovat s výrazně nižším tlakem, v podstatě podobným atmosférickému. Konstrukce tlakové nádoby a dalších systémů je tedy jednodušší a levnější. Údajně je lze od běžných reaktorů poznat i poklepem: jeho stěny jsou totiž podstatně slabší než u klasických tlakovodních reaktorů.

V komplexu

Reaktor je součástí většího komplexu ODEK, který má za cíl ověřit v praxi všechny technologie nezbytné pro recyklaci a použití přepracovaného jaderného paliva. V roce 2018 byly dokončeny stavební práce na lince, který bude bude vyrábět palivové soubory pro reaktor BREST-OD-300. Dále bude postavena linka na přepracování použitého paliva, která bude rozebírat palivové soubory a získávat z nich využitelné materiály.

Stavební povolení pro energetický blok s reaktorem Brest bylo vydáno 10. února 2021 a nyní na něj navazuje zahájení betonáže základů reaktorové budovy. Práce probíhají v areálu podniku SCHK (Sibirskij chimičeskij kombinat), který se zabývá obohacováním uranu a přepracováním použitého jaderného paliva a tvoří součást Rosatomu.

Komplex ODEK (foto Rosatom)
Model komplexu ODEK, ve kterém se mají ověřovat technologie nezbytné pro recyklaci a použití přepracovaného jaderného paliva (foto Rosatom)

Mezinárodní agentura pro atomovou energii ke konci loňského roku registrovala 70 konkrétních návrhů malých modulárních reaktorů (SMR – small modular reactors), které jsou většinou definovány jako sériově vyráběné reaktory s výkonem do 300 MW a s poloměrem ochranné zóny do 300 metrů.

Hlavním principem SMR je uložení celého primárního jaderného okruhu do jedné kompaktní nádoby, kterou lze od zbytku elektrárny po vyčerpání paliva oddělit a relativně snadno vyměnit za jinou. Klíčové komponenty a systémy, tedy reaktor, oběhová čerpadla, parogenerátory a často i kompenzátor objemu jsou přímo ve výrobních závodech kompletovány do jednoho celku a následně transportovány a instalovány v budované elektrárně.

Nejdále v jejich vývoji pokročily firmy z jaderných mocností, jejichž vlády pokrok v oblasti jaderných technologií různými způsoby přímo podporují. Týká se to USA, Ruska, Číny, Francie i Velké Británie. Technologie SMR vyvíjí rovněž Kanada, Jižní Korea, Indonésie, Argentina a Saudská Arábie.

Uchytí se v severní Americe?

Na jaře roku 2020 udělilo ministerstvo energetiky USA kalifornské společnosti Oklo povolení k zahájení testů rychlého neutronového mikroreaktoru Aurora s výkonem 1,5 MW. V srpnu 2020 se SMR další americké firmy NuScale Power stal prvním a zatím jediným projektem tohoto druhu na světě, který obdržel osvědčení národního úřadu pro jadernou bezpečnost, že splňuje všechny jeho bezpečnostní požadavky. NuScale Power předpokládá, že první elektrárnu složenou z dvanácti samostatných modulů, z nichž každý bude mít výkon 77 MW, spustí v Idahu v roce 2027.

Letos v březnu slíbila kanadská vláda 45 milionů USD (téměř jednu miliardu korun) na podporu vývoje 300 MW solného reaktoru společnosti Moltex Energy Ltd. a kanadský federální regulátor v současné době přezkoumává zhruba deset dalších návrhů SMR.

Kanada je každopádně z různých důvodů v poměrně dobrém postavení, aby podobný systém dotáhla do praxe. Tamní firmy nemají sice kapitálové možnosti například amerických protějšků, mají však poměrně výraznou politickou podporu a dlouholetou tradici domácího jaderného průmyslu.

Kanadský trh je velmi specifický a v jiných podmínkách by sázka na rozvoj malých modulárních reaktorů měla zřejmě menší naděje na úspěch. Nedávná analýza jejich zavedení v českých podmínkách, kterou vedl František Hezoučký, dospěla k závěru, že tato technologie by byla v důsledku nejméně několikanásobně dražší než klasické, velké reaktory chlazené a moderované lehkou vodou.

V Kanadě to ovšem na řadě míst nemusí platit, protože tam stále řeší budování zdrojů energie v odlehlejších oblastech. Výstavba velkých reaktorů je v takových oblastech z praktických důvodů nesmyslná, ať již proto, že mají příliš veliký výkon, nebo by doprava dílů do takových oblastí byla prakticky nemožná. Ekonomické výhledy mohou také samozřejmě změnit i dodávky tepla z reaktoru, zvláště pokud se podaří dodržet slibované parametry. Jak jsme již ale uvedli, jde zatím o nevyzkoušenou technologii. Nasazení musí předcházet demonstrace takového systému.

Zvažovaná podoba nadzemní části reakktoru společnosti Oklo nazývaného Aurora (foto Gensler)
Zvažovaná podoba nadzemní části reakktoru společnosti Oklo nazývaného Aurora (foto Gensler)

Zbylé jaderné velmoci (a Česko)

V dubnu schválila první projekt SMR o výkonu 125 MW také čínská vláda. Modul, který vychází z domácí technologie ACP 1000 má být v jaderné elektrárně Čchang-ťiang v provincii Chaj-nan uveden do provozu dokonce už v roce 2026. Rusko na konci roku 2019 připojilo k síti plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov se dvěma reaktory s celkovým výkonem 70 MW.

Francouzský energetický gigant EDF je lídrem národního francouzského konsorcia, které vyvíjí lehkovodní reaktor 170 MW navržený tak, aby se mohl stát náhradou středně velkých elektráren na fosilní paliva. EDF podle vedoucího její divize nových jaderných projektů Xaviera Ursata očekává, že po roce 2030 bude řada zemí potřebovat nahradit ropné, uhelné a případně plynové elektrárny, jejichž areály budou ideálním místem pro instalaci SMR. Základní konstrukce francouzského reaktoru má být dokončena příští rok a mezitím chce EDF přesvědčit vládu, aby už do roku 2030 umožnila výstavbu pilotního zařízení, které se stane referenčním vzorkem a odrazovým můstkem k obchodní expanzi.

Na vývoji SMR pracuje také české Centrum výzkumu Řež, které je součástí skupiny ČEZ. V lednu loňského roku získal jeho projekt malého modulárního reaktoru s označením Energy Well patent Úřadu průmyslového vlastnictví a nyní probíhá příprava na výstavbu experimentální jednotky.

Praktické zkušenosti s malými (pod 300 MW elektrického výkonu) reaktory jsou relativně omezené, byť rozhodně ne špatné. Ovšem zcela chybějí zkušenosti s jejich výrobou ve větším množství, ve kterém má být skryto kouzlo snižování cen tohoto typu jaderného zdroje. Před několika lety studie OECD totiž odhadovala, že bez sériové výroby je cena jednoho malého reaktoru na jednotku výkonu zhruba o 50 až 100 % vyšší než u velkých tlakovodních reaktorů.

Jedinou možností se zdát být jen výroba ve velkém, nic jiného nedává ekonomický smysl. Ta je možná ovšem pouze v případě, že se projekt neukáže příliš technologicky náročný, uvádění do provozu proběhne bez velkých komplikací a provoz sám bude bezproblémový.

Plovoucí elektrárna Akademik Lomonosov v Peveku (foto Rosatom)
Plovoucí elektrárna Akademik Lomonosov v Peveku (foto Rosatom)

Paradoxní realita

Všeobecně se totiž předpokládá, že největší naději na nasazení ve větším měřítku mají tzv. tlakovodní reaktory, tedy velmi zjednodušeně a nepřesně řečeno zmenšená varianta reaktorů, které dnes slouží ve velkých elektrárnách typu Temelína. Tato technologie je nejlépe známá, nejen výrobcům, ale i regulátorům. A to i v malém měřítku, protože tlakovodní reaktory se používají také v současných ponorkách či letadlových lodích (technická řešení jsou trochu jiná, protože určení je také jiné, ale to není v principu důležité).

Paradoxně, dnes je v praxi nasazen vlastně jen jediný typ, který by se dal označit za malý modulární reaktor – a ten patří do jiné kategorie než mezi tlakovodní reaktory. Jedná se o indický těžkovodní reaktor s výkonem 220 MW s označením IPHWR-220. Jde o reaktor s konstrukcí právě kanadského původu, který Indové v průběhu let vylepšili.

Dnes provozují 16 reaktorů této nebo odvozené konstrukce, které všechny používají jako palivo přírodní uran. Indie tak nemusí stavět závod na obohacování paliva pro své reaktory. To je v souladu s dlouhodobou koncepcí indické jaderné energetiky, která mimo jiné usiluje o energetické využití thoria. Tempo indického jaderného vývoje je ovšem spíše pomalejší.

Jaderná energetika v současné době pokrývá zhruba 10 % celosvětové spotřeby elektřiny. V provozu je 440 jaderných reaktorů s celkovou kapacitou přibližně 400 GWe v 32 zemích a na Tchaj-wanu. Zhruba 50 reaktorů v 16 zemích je nyní ve výstavbě, zejména v Číně, Indii, Rusku a Spojených arabských emirátech.

Světová jaderná asociace (WNA) v této souvislosti upozorňuje, že pro nadcházející dvě desetiletí neexistují žádné pevné scénáře uzavírání starých jaderných elektráren a výstavby nových zařízení. Odhady hovoří o tom, že do roku 2040 se uzavře 154 reaktorů, zatímco 289 elektráren bude uvedeno do provozu.

V předchozí části našeho textu jsme popsali poměrně málou známou historii jaderných zdrojů pro vesmírné projekty zhruba do konce studené války. V této části se budeme věnovat současným snahám, kterým dominuje tentokrát výzkum pro americkou agenturu NASA.

Americká naděje

Vzhledem ke známým problémům Ruska a celkové relativní slabosti jeho ekonomiky asi není překvapení, že v zemi konstruktérů Sputniku jaderný kosmický program de facto skončil. I přesto, že ruská kosmická agentura Roskomos čas od času vyšle do světa zprávu, že se chystá pokračování vývoje jádra pro použití v kosmu, reálných nových výsledků jsme se od něj od 90. let nedočkali.

To dlouho platilo i pro tradičního rivala Ruska v kosmickém výzkumu, Spojených státech. Američané vyslali do vesmíru pouze jeden jediný pokusný reaktor, který fungoval zhruba měsíc a půl. USA měly i program vývoje jaderných kosmických pohonů, který v 60. a částečně i 70. letech spolykal 100 milion dolarů z veřejného rozpočtu, ale neměl žádný praktický výsledek.

NASA tak měla s jadernou technologií špatné zkušenosti a nové projekty v tomto oboru neměly prakticky žádnou šanci na úspěch. „Měl jsem chuť odejít jinam, i když jsem tomuto oboru věnoval celý svůj život,“ vzpomínal v minulém roce na nedávnou minulost jaderný fyzik David Poston z laboratoří v Los Alamos.

Práce na přípravě prototypu reaktoru Kilowpower o výkonu 10 kW (kredit NASA)
Práce na přípravě prototypu reaktoru Kilowpower o výkonu 10 kW (kredit NASA)

Právě jeho týmu se nakonec podařilo odpor NASA ovšem zlomit – a to především spořivostí. Poston a spol. si vybrali u kolegů z laboratoře a jiných pracovišť všechny „protislužby“, na které si vzpomněli, nadělali spoustu nových podobných „dluhů“. Díky tomu se jim s téměř zanedbatelnými náklady (řádově za miliony korun) podařilo sestavit experiment, ve kterém v roce 2012 ukázali hlavní součástky jaderného reaktoru nové generace.

Na základě tohoto výsledku pak dostali již zajímavějších 25 milionů dolarů (tj. půl miliardy korun), postavili první americký reaktor pro využití ve vesmíru za posledních několik desetiletí. Doslova tak zvzkřísili z mrtvých americký jaderný kosmický program.

Díky, mistře Stirlingu

Jejich zařízení nese název Kilopower. Tak jako starší sovětské kosmické reaktory je konstrukčně velmi jednoduché, ale v řadě důležitých ohledů však u něho došlo k doslova revolučním vylepšením. Klíčovým rozdílem je výrazně vyšší účinnost při výrobě elektřiny, která se pohybuje o řád výše než v případě předchozích sovětských reaktorů: okolo 20 procent.

Hlavní roli v tom hraje nový systém přeměny tepla v elektřinu. Teplo z reaktoru vyvádí tepelná trubice, jež ho předává do systému na výrobu elektřiny, který nikdy předtím v reaktoru nebyl využitý, do tzv. Stirlingova motoru.

To je velmi jednoduchý uzavřený motor, který si s okolím vyměňuje pouze teplo. Píst se v něm pohybuje díky změnám teploty plynu, který je pevně uzavřen v motoru. Stirlingův motor má různé podoby, ale můžete si ho představit jako pístový motor, který má „teplou“ a „studenou“ část. Rozdíly teplot způsobují změnu objemu plynu v motoru, to rozpohybuje píst, a tak se teplo mění na mechanický pohyb.

Ukázka Stirlingova motoru v chodu (kredit Paul U. Ehmer, CC 3.0)
Ukázka Stirlingova motoru v chodu (kredit Paul U. Ehmer)

Stirlingovy stroje se z různých důvodů nedočkaly takového rozšíření jako parní stroje, které vznikly zhruba ve stejné době. Ovšem na rozdíl od parních strojů zájem o jejich využití přetrvává dodnes. Teoreticky může být jejich účinnost poměrně vysoká, navíc se mohou využít i tam, kde se jiné motory s otevřeným cyklem využít nedají, například právě ve vesmíru. Nová generace Stirlingových motorů nevznikala primárně pro Kilopower, ten – a samozřejmě také jiné kosmické jaderné reaktory – z tohoto pokroku ovšem může velmi výrazně profitovat.

Přestože se v poslední době zdá, že první zkoušky proběhnou s vysoce obohaceným palivem, původní návrhy počítaly s nízko i vysoce obohaceným palivem (samozřejmě reaktor musí být konstruovaný v každém případě trochu jinak, ale oba návrhy jsou připravené). Využití nízko obohaceného paliva zvýší hmotnost, na druhou stranu například s takovým palivem mohou nakládat i běžné komerční subjekty a nepodléhá stejné kontrole jako „zbraňový“ uran, který využívá verze s obohaceným palivem.

Reaktor má snadno regulovatelný výkon, je pasivně bezpečný (tedy měl by se chladit bez potřeby dodávek energie) a jeho výkon se „přirozeně“ reguluje podle odběru. Reaktory je možné stavět v různých velikostech, ve hře jsou varianty s výkonem od 1 do 10 kW.

V reálném provozu by měl dodávat stálý výkon více než 10 let, prakticky bez ohledu na okolní podmínky. Největší problém pro něj představuje asi zvýšená teplota. Systém se musí zbavovat přebytečného tepla, což se děje s pomocí radiátoru, který na přímém slunečním záření samozřejmě funguje hůře než ve stínu. V oblastech blízko Slunce je takový systém nepraktický, v extrémních případech by mohl být zcela nepoužitelný.

Konec druhé, závěrečné části textu. První část najdete na této stránce.

Až se jednou lidé vydají na Mars, co bude zdrojem energie pro jejich přístroje a zařízení? Nemluvíme teď o samotné raketě, nýbrž přehršli elektronického i mechanického vybavení, které s sebou ponese.

První kandidátem by se mohla zdát, že nejvhodnějším kandidátem je energie Slunce. Fotovoltaické panely se ve výzkumu vesmíru používají běžně a v řadě aplikací se velmi osvědčily. Samy o sobě ovšem nestačí.

Solární energie potřebuje zálohu. Nejen střídání dne a noci, ale i mnohadenní písečné bouře, jsou překážky, se kterými si solární energetika neví rady. Problém by vyřešily baterie, ovšem dopravit kilogram nákladu na Mars stojí dnes v nejlepším případě řádově miliony korun.

Pokud to tedy skutečně v dohledné době bude lidstvo myslet s „dobýváním“ Rudé planety vážně, mělo by zvažovat i další alternativy. Jednou takovou by mohly být jaderné reaktory. Částečně i proto, že se – byť se to o nich málo ví – ve vesmíru již osvědčily.

Snímek z testu reaktoru Kilopower připravovaného NASA. Konkrétně záběr pochází ze zkoušky přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem při pracovní teplotě více než 800 ˚C. (foto NASA Glenn)
Snímek z testu reaktor Kilopower připravovaného NASA. Konkrétně záběr pochází ze zkoušky přenosu tepla pomocí pasivního systému teplovodných trubek s tekutým sodíkem při pracovní teplotě více než 800 ˚C. (foto NASA Glenn)

Slabá generace

Na oběžných drahách kolem Země se totiž v současné době pohybují zhruba tři desítky vyloužilých jaderných reaktorů. A skutečně nemluvíme o radioizotopových zdrojích, jaké mají třeba sondy Voyager (o nich více v boxíku na stránce), ale o reaktorech, ve kterých probíhala štěpná reakce. Všechny reaktory nad našimi hlavami byly postaveny za studené války. Většinu z nich tvoří reaktory typu známého jako BES-5 (či „Buk“) na palubách dnes již vysloužilých sovětských špionážních družic.

Palivem pro jejich reaktory byl vysoce obohacený uran (90 procent tvořil aktivní izotop 235U), kterého bylo na zhruba od 30 do 45 kilogramů. Při hmotnosti 900 kilogramů reaktor vyráběl 100 kilowattů tepelné energie. Elektřina se z tepla vyráběla velmi neúčinně: využila se necelá dvě procenta. Na Zemi v reaktorech používáme turbíny, které mají účinnosti kolem 40 procent.

Ovšem ve vesmíru je zapotřebí něco jednoduššího než turbína. První, co konstruktéři mohli reálně použít, byla přímá přeměna tepla na elektřinu pomocí termoelektrického jevu. Ten využívá speciální polovodičový okruh, jehož jedna část je v teple (u jádra reaktoru) a druhá v chladu (chlazena s pomocí radiátoru, který vyzařuje teplo z okruhu do vesmíru). Čím větší je rozdíl v teplotách mezi oběma stranami, tím větší se vytváří napětí.

V případě Buku byl elektrický výkon Buku zhruba od 1,3 do 4 kW. V provozu mohl vydržet maximálně půl půl roku, v praxi to častěji bylo něco mezi čtyřmi až pěti měsíci – i z toho je patrné, že šlo o ryze vojenské zařízení, u kterého byly náklady a efektivita druhotné.

Dnes jsou reaktory odstaveny na tzv. parkovacích drahách zhruba necelých tisíc kilometrů nad povrchem, kde by měly zůstat ještě nejméně tisíce let – a v té době již jejich náklad nebude prakticky aktivní.

Trosky Kosmosu 954
Jedna ze sovětských špionážních družic s jaderným pohonem Kosmosu 954 se v lednu 1978 zřítila na území Kanady. Byl z toho menší diplomatický incident, který nakonec vyřešila alespoň částečně sovětská platba za práce spojené s vyhledáváním a likvidací materiálu. Na snímku je největší nalazený kus Kosmosu 954, který dostal přezdívku „paroží“. Šlo o součást řídícího systému reaktoru – trubkami se do něj spouštěly řídící tyče, které zpomalily štěpení. „Parohy“ nebyly nijak výrazně radioaktivní. Snímky jsou tak dramaticky barevné, protože díl obsahoval původně zhruba 50 kilogramů nápadně zbarvaného hydroxidu lithného, který zřejmě chránil elektroniku na palubě satelitu před radiací z reaktoru. (foto zpráva GEOSCAN)

Zlepšíme se!

Vývoj Bukem neskončil. SSSR do vesmíru v roce 1987 dostal i pokročilejší typ označovaný jako TOPAZ. Šlo o reaktor chlazený tekutým kovem (konkrétně slitinou sodíku a draslíku) s pracovní teplotou zhruba 610 °C (maximální teplota v aktivní zóně mohla být až třikrát vyšší). Vysoká teplota se využila při výrobě elektřiny, pomocí tzv. termionické přeměny.

Tento jev byl v roce 1893 objeven v Edisonových laboratořích, když jeho spolupracovníci zjistili, že některé materiály při velmi vysokých teplotách uvolňují elektrony, a de facto tedy přímo vyrábí z tepla elektřinu. Účinnost je o něco vyšší než u termoelektrických článků, ovšem pouze pokud jsou teploty dostatečně vysoké. Vyvinout materiály, které splní všechny nároky včetně odolnosti proti radiaci, není triviální a Sověti v tom ve své době velmi zajímavě pokročili.

Maketa jaderného reaktoru TOPAZ
Maketa jaderného reaktoru TOPAZ, který se do vesmíru dostal ve dvou exemplářích v druhé polovině 80. let. Maketa je umístěna v Polytechnickém muzeu v Moskvě. (foto собственная работа)

Díky zvýšení účinnosti výroby elektřiny na zhruba pět procent se snížila hmotnost celého reaktoru i paliva na palubě. TOPAZ s pouze 12 kilogramy uranového paliva dodával 5-10 kW údajně až po dobu jednoho roku při celkové hmotnosti 320 kilogramů.

Existovala již zmíněná vylepšená varianta TOPAZ-II, kterou pohřbil kolaps SSSR. Šlo o větší zařízení s 27 kilogramy paliva a celkovou hmotností kolem jedné tuny, které mělo zhruba stejné výkony (vyrábělo 135 kW tepla, 6 kW elektrických), ale mohlo pracovat až tři roky. V 90. letech krátce žila naděje, že by mohly letět ve spolupráci s cizinou, dokonce se několik zařízení na Západě intenzivně testovalo, údajně úspěšně. Let se ovšem žádný nekonal.

Inspirace ovšem ani v západních zemí nezapadla. Praktické pokroky v posledních letech nakonec učinily týmy v USA pod kuratelou NASA. O tom více v další části článku.

Maďarsko je nyní šestou evropskou zemí, která plánuje urychlit svůj původní plán na odstavení uhelných elektráren. V září 2019 totiž maďarský prezident János Áder na klimatickém sumitu v New Yorku oznámil, že země by skončit se spalováním uhlí v elektrárnách do roku 2030. Růst měla kapacita jádra, výrazně by se měl zvýšit i příspěvek solárních elektráren. V daném roce se tak měloaž 90% elektřiny vyrábět z bezemisních zdrojů.

Ovšem v posledním březnovém týdnu roku 2021 státní tajemník pro ekonomiku, energie a klimatickou politiku, Attila Steiner, během setkání aliance Powering Past Coal (PPCA) mluvil o mnohem ambicióznějších cílích. Podle něj by se mělo Maďarsko plně vzdát uhlí už do roku 2025.

Co se změnilo? Nejdůležitější zřejmě bylo, že Maďarsko získalo podporu z evropského Fondu spravedlivé transformace na odstavení uhelné elektrárny Matra o instalovaném výkonu 884 MW. Jinak se počítá ovšem především s centrální rolí jaderné energie.

Maďarsko má čtyři jaderné reaktory, které uspokojují přibližně polovinu poptávky po elektřině v zemi. V roce 2018 byl podíl jádra na výrobě elektřiny 49 % (dalších 23 % dodávaly plynové elektrárny a 15 % vyráběla uhelná energetika).

Maďarské jaderné reaktory jsou umístěny v lokalitě Pakš, přibližně 100 km jižně od Budapeště. Zde jsou provozovány čtyři bloky ruských tlakovodních reaktorů VVER-440. Bloky byly spouštěny mezi lety 1982 a 1987 s plánovanou životností 40 let. Bloky bude možné provozovat i po dovršení jejich plánované životnosti, konkrétně čtvrtý blok získal povolení k provozu až do roku 2037 a podle současného plánu mají být bloky 1 a 2 odstaveny v letech 2032 a 2034.

Maďarsko a Rusko podepsaly v roce 2014 mezivládní dohodu o výstavbě dvou reaktorů VVER-1200 v lokalitě Pakš. Rusko poskytlo Maďarsku půjčku v hodnotě 10 miliard euro, které pokryjí 80 % nákladů projektu známého jako Pakš II. V listopadu minulého roku schválil maďarský regulační úřad pro energetiku a veřejné služby plán společnosti Atomerőmű Zrt na výstavbu dvou nových bloků v lokalitě Pakš. Nyní se čeká na vydání povolení k výstavbě od maďarského dozorného orgánu.

Polská flotila

V Evropě na uhlí nejzávislejší zemí je Polsko. I to však v příštích několika desetiletích přejít hlavně k jiným zdrojům energií, a to jak zdrojů obnovitelných (především fotovoltaika a vítr). V roce 2040 by měl podíl místo cca 75 procent jako v roce 2019 klesnout na 11 až 28 % do roku 2040 v závislosti na ceně emisních povolenek.

Významným faktorem má být stavba hned několika jaderných elektráren. Do roku 2043 bych země měla údajně provozovat šest jednotek, tedy cca mezi 6 a 9 GW instalovaného výkonu (to by stačilo na pokrytí zhruba 10 procent spotřeby). Podle plánů polské vlády by první jaderný blok měl být postaven v Gdańsku a jeho provoz se očekává už v roce 2033. Druhý jaderný blok bude s největší pravděpodobností postaven v lokalitě Belchatów.

Na rozdíl od Maďarska se ovšem Polsko chce opírat o úplně jiné dodavatele – tím hlavním by měly být možná USA. Jednoznačně prevefuje geopolotické zřetele a ruské dodavatele nechce přizvat. Americká a polská diplomacie se údajně intenzivně zabývají debatami kolem dalšího vývoje polského programu civilní jaderné energetiky. Spojené státy mají nyní 18 měsíců na přípravu jak technologie, tak finanční nabídky na výstavbu jaderných elektráren v Polsku.

Společnost ČEZ vyhlásila nové zadávací řízení na dostavbu horkovodu z Temelína do Českých Budějovic. Horkovod měl začít dodávat teplo do Českých Budějovic na přelomu loňského a letošního roku. Od konce loňského roku ale práce na projektu stojí.

Po únorovém úpadku firmy Tenza, která horkovod stavěla od března 2019, zbývá dokončit 11 z 26 kilometrů. Nového dodavatele stavby za víc než 1,4 miliardy Kč chtějí energetici vybrat letos na podzim, řekl mluvčí Temelína Marek Sviták.

Při výběru nového dodavatele musí ČEZ postupovat podle zákona o zadávání veřejných zakázek. Zájemci mají na přihlášku 30 dní, musí mít kromě jiného zkušenosti s podobným typem staveb. „Vyhlášení výběrového řízení je aktuálně jedinou možností, kterou nám legislativa umožňuje,“ uvedl Sviták. Tendr bude vícekolový.

ČEZ vypsal zadávací řízení poté, co se půl roku zkoušel s firmou Tenza domluvit. Její vedení na konci února vyhlásilo úpadek. Problémy s insolvencí Tenzy mají také Teplárny Brno, pro které měla vyměnit parovody za horkovody v Brně Poříčí. Ani zde Tenza projekt nedokončí a Teplárny budou řešit výběr nového zhotovitele.

Práce na horkovodu zastavila Tenza v závěru loňského roku. Důvodem byly problémy, které společnost zdůvodnila hlavně pandemií koronaviru a s tím spojeným odkladem plateb. Z 26 kilometrů potrubí předala společnosti ČEZ 15 kilometrů. Problémy zaviněné úpadkem Tenzy evidují i její subdodavatelé: Česká televize v březnu týden uvedla, že nedostali zaplaceno zhruba 300 milionů korun. ČEZ uplatňuje po firmě Tenza pohledávku přes miliardu Kč, firma navíc dluží i bankám; Komerční banka eviduje pohledávky v řádech stovek milionů, jak vyplývá z insolvenčního rejstříku.

Na Budějovice

Temelínské teplo by mělo pokrýt 30 % výroby tepla pro České Budějovice, zbytek zajistí městská teplárna z vlastních zdrojů. Temelín městu ročně dodá 750 TJ tepla, hlavně pro sídliště Vltava, Šumava, Máj a Pražské předměstí. Díky temelínskému teplu bude moci Teplárna České Budějovice snížit spotřebu uhlí až o 80 tisíc t ročně. Nejen z hlediska emisí, ale také vzhledem k nepříliš jasným vyhlídkám v zásobování uhlím na českém trhu lze takový krok považovat za naprosto racionální. Smlouvu o dodávkách podepsalo město se společností ČEZ v prosinci 2018, teplo by měl Temelín Budějovicím dodávat nejméně 20 let.

Do Českých Budějovic bude proudit voda o teplotě 140 stupňů, k jejímuž ohřevu se využije část páry pro turbínu. Teplovod tedy nevyužívá odpadního tepla z elektrárny. V tomto okruhu jsou příliš nízké teploty pro daný účel: voda proudící do chladírenských věží má teploty pouze kolem 30 stupňů.

Plán propojit elektrárnu s krajským městem se poprvé objevil v polovině 80. let 20. století. Projektanti s ním počítali ještě v době, kdy se elektrárna začala v roce 1987 stavět. V rámci projektu se uvažovalo o vývodu zmiňovaného odpadního tepla z Temelína, které se pro teplovod nehodí. Mělo se využít v bezprostředním okolí elektrárny, například na vytápění velkoprostorových skleníků. Plán tehdy měl ztroskotat na nezájmu místního zemědělského družstva.

O teplovodu se neuvažovalo pouze v Temelíně, ve hře svého času byla také varianta stavby teplovodu z Dukovan do Brna. Teplovod měl měřit zhruba 42 km a vedl by podstatně složitějším terénem s poměrně značnými výškovými rozdíly. Jednalo se tedy o náročnější stavbu s uvažovanou cenou miliard korun v cenách z 90. let.

Načíst další