Jaderná energetika

 

Zdaleka nejdůležitější částí přínosu tohoto odvětví je výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách, v menší míře pak i vytápění (především zbytkovým teplem), kde je v Česku zásobována z jaderné elektrárny Temelín například obec Týn nad Vltavou a probíhá stavba horkovodu do Českých Budějovic. V roce 2019 dodaly jaderné elektrárny celosvětově 2 676 TWh elektřiny, čímž se jaderná energetika stala druhým nejvýznamnějším bezemisním zdrojem po vodních elektrárnách. K 1. červenci 2020 bylo podle statistik Světové jaderné asociace (WNA) ve 30 státech světa v provozu 440 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou 390 382 MW_e.

Jaderná energetika může být nepřímo využita rovněž pro odsolování mořské vody (za zmínku stojí provoz ruského jaderného reaktoru v Kazachstánu BN-350 mezi lety 1973 a 1999, jehož hlavním cílem bylo odsolovat mořskou vodu) nebo výrobu vodíku. Jadernou energii využívají i další aplikace, které se ale do jaderné energetiky nezařazují: jedná se například o výrobu izotopů pro lékařské a průmyslové využití, a pohon dopravních prostředků (využívaný v jaderných ponorkách, jaderných ledoborcích, letadlových lodích nebo při průzkumných vesmírných misích).

V poslední době se čím dál více zdůrazňují ekologické aspekty jaderné energetiky. Jaderné elektrárny neuvolňují v podstatě žádné škodlivé emise ani skleníkové plyny, vzniká v nich pouze malé množství (vzhledem k množství získané energie) radioaktivního odpadu.

Jaderná energie je z hlediska energetiky řazena do neobnovitelných zdrojů energie.^[1][2][3][4] To je podpořeno i příslušným českým zákonem (zrušeném v roce 2013), který jadernou energetiku v seznamu obnovitelných zdrojů neuvádí.^[5] Patří ale mezi nízkoemisní zdroje, protože při výrobě neprodukují žádné skleníkové plyny. Také nezpůsobuje úmrtí spojená s provozem.^[6]. Podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) uspořily jaderné elektrárny za posledních 50 let přes 60 miliard tun ekvivalentu emisí CO₂. Tato hodnota odpovídá téměř dvěma letům globálních emisí z celé energetiky. Jaderná energetika je podle IEA s velkým náskokem druhým největším zdrojem nízkoemisní elektřiny na světě.^[7] IEA rovněž varuje státy před odchodem od jaderné energie a doporučuje spoléhat na jadernou energii jako na jeden z významných zdrojů umožňujících dekarbonizaci energetiky v rámci boje proti klimatickým změnám, a to jak prodlužováním životnosti stávajících jaderných elektráren, tak výstavbou nových.^[7] Existuje vědecká studie publikovaná v časopise ze série Nature, že jaderná energie by mohla zhruba v polovině 21. století hrát klíčovou roli pro dosažení nulových emisí uhlíku v obdobích, kdy je nedostatek větrné a sluneční energie.^[8] IEA odhaduje, že bude do roku 2050 třeba zdvojnásobit výrobu z jaderné energie.^[9]

 

Jaderná energetika v současnosti využívá štěpné jaderné reakce uranu nebo plutonia, uvažuje se rovněž o využití thoria jako množivého materiálu. Předmětem intenzivního výzkumu je praktické využití termojaderné fúze vodíku na hélium.

Světové zásoby uranové rudy nejsou nevyčerpatelné, nicméně do budoucna existuje možnost extrakce uranu z mořské vody, což by představovalo téměř nevyčerpatelný zdroj paliva. Ve světě se rovněž rozvíjejí thoriové reaktory, což palivovou základnu rovněž výrazně rozšiřuje. Spotřebované palivo se zatím ve větší míře nevyužívá. Existují ale již tak zvané rychlé reaktory, které pracují s uzavřeným palivovým cyklem. Tím se doba možného využití štěpné jaderné reakce značně prodlužuje ^[10].

Nejvýznamnějším využitím jaderné energie je výroba elektrické energie v jaderných elektrárnách. Jaderné zdroje mají nyní přibližně 10% podíl na světové výrobě elektřiny ^[11]. Největší podíl elektrického proudu z jádra dosahuje, Francie (asi 71 %), Slovensko a Ukrajina (obě asi 54 %), Maďarsko (asi 49 %) a Belgie (asi 48%) (stav podle WNA k 12/2019) ^[12].

Historii rozvoje jaderné energetiky poznamenaly tři velké havárie – v roce 1979 havárie na 2. bloku elektrárny Three Mile Island v USA, která dosáhla 5. stupně INES. V roce 1986 havárie 4. bloku elektrárny v Černobylu v bývalém Sovětském svazu dosáhla 7., tj. nejvyššího stupně INES. Poslední velká havárie se stala v roce 2011 v elektrárně Fukušima v Japonsku, která dosáhla také 7. stupně INES. Jaderná energetika přesto patří k nejbezpečnějším v porovnání s dalšími zdroji (uhlí, plyn, voda, ropa apod.) ^[13].

 

 

První úspěšný pokus s jaderným štěpením provedli v roce 1938 v Berlíně Otto Hahn, Lise Meitner a Fritz Strassmann.

Během 2. světové války se rozběhl jaderný program v řadě zemí. První řízená řetězová štěpná reakce se uskutečnila 2. prosince 1942 v reaktoru CP-1, který postavil tým Enrica Fermiho v podzemí stadionu Chicagské univerzity. Motivace pokusů byla jednak vědecká, ale také vojenská – reaktory založené na výsledcích Fermiho výzkumu pak sloužily pro výrobu plutonia pro použití v jaderných zbraních.

Některé indicie také svědčí o tom, že minimálně pokročilé přípravy k získání jaderné zbraně mělo také Německo. Např. tzv. těžkou vodu (oxid deuterie), složku nutnou ke spuštění štěpné reakce, získávali nacisté prokazatelně v norském Vemorku a možná se k tomu chystali i v českých Štěchovicích ^[14].

Po svržení atomových bomb na Hirošimu a Nagasaki se konstrukce jaderných reaktorů pro výrobu plutonia rozběhla i v dalších zemích. K výrobě elektřiny byl jaderný reaktor poprvé využit 20. prosince 1951 ve výzkumné stanici EBR-1 poblíž Arca (Idaho). Zařízení založené na rychlém množivém reaktoru dodávalo zpočátku výkon kolem 100 kW.

 

 

Za první jadernou elektrárnu bývá označována Jaderná elektrárna Obninsk v bývalém Sovětském svazu. K rozvodné síti byla oficiálně připojena 27. června 1954. U reaktoru AM-1 („Атом Мирный“ – v překladu „Mírový atom“) o elektrickém výkonu 5 MW byl použit grafit jako moderátor a voda jako chladicí médium. Za první skutečně komerční elektrárnu je však považována až Jaderná elektrárna Calder Hall ve Velké Británii, která oficiálně zahájila provoz 17. října 1956 ^[15] (první proud však dodala už 27. srpna 1956).

Využití jaderné energie se poté rychle rozvíjelo. V roce 1960 činil instalovaný elektrický výkon méně než 1 GW, na konci 70. let už 100 GW, a v 80. letech 300 GW.

Od konce 80. let je nárůst mnohem pozvolnější a převážně tvořený výstavbou jaderných elektráren v Asii, zejména v Číně. V roce 2019 byl instalovaný výkon 390 GW. Proti využití jaderné energie se v některých zemích zvedla vlna veřejného odporu. Některé evropské země se rozhodly výrobu elektřiny v jaderných elektrárnách postupně utlumit a nakonec zcela opustit. Jedná se například o Německo, Belgii, či Švýcarsko.

Další důvody zpomalení výstavby jaderných zdrojů byly ekonomické – jaderná energie je velmi levná co se týče provozních nákladů, investiční náklady při stavbě a likvidaci jaderných elektráren jsou však velmi vysoké. Cena fosilních paliv přitom byla řadu let relativně nízká.

Odvětví si však dokázalo udržet svůj procentuální podíl na výrobě. Dosaženo toho bylo řadou technických zlepšení, která zvýšila instalovaný výkon nad původní projektovou mez, zvýšením efektivity výroby a zkracováním nutných provozních odstávek (některé elektrárny tak běží i 90 % času na plný výkon); podmínkou bylo zachování úrovně bezpečnosti.

Ekonomické výhody se rovněž podstatně zvýšily poté, co se ukázalo, že jednotlivé jaderné elektrárny je možné bezpečně provozovat podstatně delší dobu, než bylo původně plánováno. I z těchto důvodů v současnosti v různých částech světa zajišťuje nejlevnější výrobu elektrické energie právě jaderná energetika ^[16].

 

Ke květnu 2020 bylo podle statistik WNA (World Nuclear Association – Světová jaderná asociace) v provozu 443 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou okolo 393 000 MWe ^[17]. Ve výstavbě je jich 52 v 19 zemích. Plánuje se výstavba 108 reaktorů. Celkem se ve světě předběžně uvažuje o vybudování dalších 329 reaktorů, jejichž instalovaný výkon by měl dosáhnout asi 359 682 MW ^[18].

V současné době probíhá největší výstavba v asijských zemích, zejména v Číně, která se jadernými elektrárnami snaží nahradit špinavé uhelné zdroje. V letech 2015-2020 ale byly spuštěny také jaderné elektrárny ve Spojených arabských emirátech, v Jižní Koreji, v Pákistánu, v Indii či v USA. Velký význam hraje jaderná energetika také v Rusku, které je průkopníkem nových typů reaktorů (např. rychlých).

V Evropské unii je názor na jadernou energetiku rozštěpený. Mezi tradiční odpůrce patří například Rakousko, Německo, Itálie nebo Řecko, naopak mezi zastánce jaderné energetiky se počítá např. Francie, Finsko, Česká republika, Slovensko či Bulharsko.

Jaderná energetika zásobuje s vyrobenou elektřinou přibližně jednu třetinu EU. V rámci celé Evropy se jaderné elektrárny staví v Bělorusku, Finsku, Francii, Rusku a na Slovensku, výstavby se připravuje v Bulharsku, České republice, Finsku, Litvě, Maďarsku, Polsku, Rumunsku, Spojeném království, a Ukrajině. Nejvíce jaderných zdrojů se nachází v USA (95), Francii (57), Číně (47), Rusku (38), Japonsku (33), Jižní Koreji (24), Indii (22), Kanadě (19) a Ukrajině a UK (15). V zemích EU se většinou používají tlakovodní reaktory PWR (65 %), co do četnosti jsou na druhém místě varné reaktory BWR (22 %). Využívány jsou také reaktory těžkovodní, grafitové, plynem chlazené, rychlé a další typy ^[19].

Důležitým faktorem pro využívání jaderných elektráren je jejich akceptace veřejností. Jaderné elektrárny musí demonstrovat, že jsou schopné vybudovat podzemní konečné úložiště jaderného odpadu.^[20] Významným zlomem v této oblasti bylo schválení stavebního povolení pro jeho výstavbu ve finském Olkiluoto v roce 2015.^[21].

Finsko^[22] – od května 2005 je zde ve výstavbě reaktor EPR v elektrárně Olkiluoto. Spuštění se předpokládá v roce 2023.
Francie^[23] – od prosince 2007 je zde ve výstavbě reaktor EPR v elektrárně Flamanville. Spuštění se předpokládá v roce 2022.
Slovensko^[24] – od června 2009 se zde dostavují dva dříve odložené bloky VVER 440 v elektrárně Mochovce. Spuštění se předpokládá v roce 2021.

Dle údajů WNA k 12/2020 uvažuje o výstavbě jaderných elektráren 31 zemí: mj. Čína (168 bloků), Indie (28 bloků) Rusko (22 bloků, USA (18 bloků), Saúdská Arábie (16 bloků), Japonsko, Jihoafrická republika a Turecko (po 8 blocích), Velká Británie (6 bloků) a další

V současné době se rýsují tři základní směry dalšího technického vývoje. Jedná se o řadu připravovaných technických koncepcí, které jsou souhrnně označovány jako projekty 4. generace, dále vývoj malých modulárních reaktorů a v delším časovém horizontu i využití jaderné fúze.

Projekty reaktorů 4. generace jsou aktuálně vyvíjeny v několika různých koncepčních směrech. Jedná se převážně o první demonstrační reaktory, pracující s rychlými neutrony a uzavřeným palivovým cyklem, které umožňují efektivnější využití jaderného paliva a zároveň snížení množství radioaktivních odpadů. Do této skupiny jsou zahrnovány i některé technologie, pracující s tepelnými neutrony a s otevřeným palivovým cyklem. Zahájení provozu prvních pilotních jednotek této generace je podle stavu jejich vývoje odhadováno mezi léty 2030 až 2040, komerční nasazení potom po roce 2050. Výjimkou jsou sodíkem chlazené rychlé reaktory, které jsou již komerčně provozovány.

V roce 2000 byl mezinárodním společenstvím iniciován vznik Mezinárodního fóra pro generaci 4 (GIF), což je sdružení vlád států, které mají zájem na dalším rozvoji jaderné energetiky. Organizace byla formálně ustavena v polovině roku 2001. Zakládajícími členy byly Argentina, Brazílie, Kanada, Francie, Japonsko, Jižní Korea, Jižní Afrika, Velká Británie a USA. K organizaci se následně připojily i Švýcarsko, Euroatom jako zástupce členských států EU, Čína, Rusko a Austrálie.

Expertní skupina GIF sestávající z více než 100 odborníků z nejrůznějších technických oborů vyhodnotila 130 aktuálně dostupných technologických konceptů a jako perspektivní k dalšímu rozpracování a vývoji vyhodnotila šest následujících technologií:

• Rychlé reaktory chlazené plynem (GFR – Gas-Cooled Fast Reactors)
• Olovem chlazené rychlé reaktory (LFR – Lead-Cooled Fast Reactors)
• Reaktory využívající roztavené soli (MSR – Molten Salt Reactors)
• Reaktory využívající vodu v superkritické fázi (SCWR – SuperCritical Water Reactors)
• Sodíkem chlazené rychlé reaktory (SFR – Sodium-Cooled Fast Reactors)
• Vysokoteplotní reaktory (VHTR – Very-High-Temperature Reactors)

Jako o jaderné renesanci se vyjadřují média^{[25][26][27][28][29][30]} i politici z Evropy ^[31] v souvislosti s debatami o kladném přístupu k jaderné energetice. Po vypuknutí války na Ukrajině se evropské státy rozhodly postupně snížit svou závislost na ruském plynu a ropě.^[32] Následkem toho je růst cen energií, který může být částečně řešen výstavbou nových jaderných elektráren. Velká Británie má například v plánu postavit do roku 2050 celkem osm nových jaderných reaktorů.^[31] Finsko v roce 2023 spustilo třetí reaktor jaderné elektrárny Olkiluoto.^[26] Jaderné reaktory v Belgii měly být původně odstaveny do konce roku 2025, plán byl ale revidován a dvě jaderné elektrárny nakonec budou v provozu až do roku 2035.^[27] Čína má plány zvýšit svůj jaderný výkon o téměř polovinu do roku 2025 a mít více jaderných elektráren než zbytek světa dohromady do poloviny století. V roce 2022 má ve výstavbě nejméně 52 reaktorů, což je více než zbytek světa dohromady. Podle Světové jaderné asociace země mezi lety 2011 a 2021 zvýšila svůj jaderný výkon asi o 400 procent a postavila 39 z 68 nových jaderných bloků uvedených za tu dobu po celém světě.^[28] Názory na to, jestli výstavba jaderných elektráren pomůže^[ujasnit], se odborníci neshodnou.^[25][30]

Pojem SMR, tj. „malé modulární reaktory“, byl historicky zaveden americkým ministerstvem energetiky ve smyslu malých jednotek (resp. modulů), které jsou sériově vyráběny ve výrobním závodě, transportovány a instalovány na lokalitu jako jeden celek, s možností sestavování modulů do jednotek vyššího instalovaného výkonu. Mezinárodní agentura pro atomovou energii (IAEA) užívá terminologii SMR ve smyslu „Small and Medium Reactors", přičemž pojem „malý“ definuje ve výkonovém rozsahu do 300 MWe a „medium“ do 700 MWe. Organizace World Nuclear Association definuje SMR jako malé jaderné reaktory o výkonu do 300 MWe, které jsou vyráběny s využitím modulární technologie.

Nastupující technologie SMR by měla komerční jaderné energetice otevřít nové příležitosti a přinést další výhody, zejména:

• z důvodu malých rozměrů a modulární výroby bude možné SMR kompletovat ve výrobním závodě a instalovat na lokalitě po jednotlivých modulech podle požadovaného celkového výkonu elektrárny, což by mělo přinést zvýšení kvality a efektivnosti výroby
• nižší instalovaný výkon, vysoká úroveň pasivní bezpečnosti a výrazně snížené nároky na obsluhu a provoz umožní instalovat SMR i v zemích s méně rozsáhlými elektrickými sítěmi a obecně menšími zkušenostmi v oblasti jaderné energetiky
• menší velikost modulárních jednotek, efektivita jejich výroby, standardizovaná výstavba elektráren a nasazení pasivních bezpečnostních systémů, které obecně vyžadují nižší stupeň redundance, umožní snížit investiční náklady nových elektráren a usnadní tak jejich financování
• v delším časovém horizontu se předpokládá „sériová výroba" modulů, což by mělo přinést další snížení nákladů
• modulová a standardizované konstrukce může usnadnit standardizaci licenčního procesu a harmonizací regulatorních požadavků v globálním měřítku, což opět mohou využít země s méně rozvinutou jadernou energetikou.

V současné době se v elektroenergetice stále silněji prosazuje trend instalace decentralizovaných jednotek nižšího instalovaného výkonu, které by byly schopny kooperovat resp. doplňovat či zálohovat výrobu regionálních obnovitelných zdrojů energie (OZE), zejména velkých větrných a fotovoltaických výroben elektřiny. Zároveň se v mnoha zemích počítá se zaváděním elektrifikace a průmyslové infrastruktury do izolovaných oblastí státu, mnohdy s celoročně velmi nepříznivými klimatickými podmínkami. Pro všechny tyto potenciální aplikace jsou malé modulárně vyráběné jaderné energetické jednotky jedním z možných technických řešení. Další možnou aplikací SMR je náhrada odstavovaných uhelných zdrojů.

Z výše prezentovaných důvodů v současné době probíhá v globálním měřítku velmi intenzivní vývoj technologií SMR, a to v širokém spektru možných technických řešení. Výzkumné a vývojové projekty probíhají např. v Argentině, Číně, Indii, Jižní Koreji, Kanadě, Rusku, USA, Velké Británii a dalších zemích.

Standardní aktuálně dostupné jaderné technologie generace III/III+ a vyvíjené technologie generace IV využívající princip štěpení jader těžkých prvků (především uranu a thoria) jsou schopny generovat ohromná množství energie, nicméně z dlouhodobého koncepčního hlediska nejsou považovány za optimální řešení. Klasické jaderné technologie totiž využívají dostupný „energetický potenciál" paliva v poměrně nízké míře a jsou spojeny s problémy s dostupností resp. efektivností těžby zásob štěpných jaderných materiálů, technologicky náročnou výrobou jaderného paliva a následně se zpracováním resp. přepracováním a dlouhodobým ukládáním jaderného odpadu.

Řešení všech těchto problémů by mělo přinést využití principiálně jiného fyzikálního procesu k výrobě energie. Jedná se o proces slučování jader lehkých prvků v jádra prvků těžších, tj. proces termojaderné fúze.

Jednou z možných termonukleárních reakcí je slučování jader deuteria (tzv. „těžký vodík", jehož jádro obsahuje navíc jeden neutron oproti standardnímu vodíku), přičemž vzniká izotop helia (He) a uvolňuje se neutron nebo tritium (nejtěžší izotop vodíku, jehož jádro obsahuje dva neutrony). Další možností je slučování jader deuteria tritia za vzniku hélia a uvolnění neutronu. Mimo výše uvedené příklady jsou zkoumány další možné termojaderné reakce s využitím standardního vodíku, hélia či lithia. V průběhu termonukleárních reakcí se uvolňuje značné množství energie, která by se následně využila k tvorbě páry k výrobě elektřiny.

Pokud lidstvo bude schopno v budoucnosti vybudovat komerční energetický reaktor využívající jadernou syntézu deuteria, získá téměř nevyčerpatelný zdroj energie.^[zdroj?] Deuterium se vyskytuje v přírodě společně se standardním vodíkem, přičemž jej lze od vodíku relativně jednoduše oddělit. Tudíž např. ve světových oceánech se nachází velké zásoby jaderného paliva.

Praktické uskutečnění termojaderné syntézy s sebou ovšem nese velmi komplikované technické obtíže. Podmínkou spojení dvou jader deuteria popř. deuteria a tritia v jádro izotopu helia je překonání odpudivých sil vyvolaných jejich stejným elektrickým nábojem, jelikož souhlasné elektrické náboje se navzájem odpuzují. Tuto bariéru lze překonat energií tepelného pohybu. Pokud se jádra budou pohybovat dostatečně vysokou rychlostí, přiblíží se na extrémně blízkou vzdálenost, při níž se uplatní tzv. přitažlivé jaderné síly, které překonají odpudivé síly stejných elektrických nábojů a umožní se tak slučování jednotlivých jader. Rychlost částic je přímo úměrná teplotě. Pro překonání odpudivých elektrických sil jader je potřeba dosáhnout teplot v řádech desítek milionů stupňů Celsia. A právě udržení takto vysokých teplot po dostatečně dlouhou dobu k „zapálení" a stabilizaci termonukleární reakce představuje velmi obtížný problém, jehož řešení nutí inženýrské týmy pracovat na hranici dostupných technických možností a materiálových vlastností jednotlivých konstrukčních komponent termonukleárního reaktoru.

Pro praktickou výrobu elektrické energie se v současné době jeví jako nejperspektivnější ohřev termonukleárního paliva opakujícími se elektrickými impulzy. Dodávaná energie ohřívá zředěný plyn, přičemž dochází k jeho ionizaci a vytváří se žhavé plynné plazma. Plazma je směs zcela ionizovaných částic rozložených mateřských prvků, pohybujících se vysokými rychlostmi a za extrémně vysokých teplot.^[33]

 

 

Jaderná energetika má v České republice velmi dlouhou a úspěšnou tradici, jejíž počátky sahají do období poválečného Československa. Československo bylo devátou zemí na světě, která dokázala spustit jaderný reaktor – stalo se tak v roce 1955 ve výzkumném jaderném ústavu v Řeži u Prahy. Na českém území byly vybudovány dvě jaderné elektrárny: Dukovany a Temelín. V roce 2019 vyrobily jaderné elektrárny 34,77 % elektrické energie v ČR.^[34]

• Jaderná energie
• Jaderná elektrárna
• Jaderný reaktor
• Uran
• Jaderná zbraň

•   Obrázky, zvuky či videa k tématu Jaderná energie na Wikimedia Commons
• Česká nukleární společnost
  • Jaderná energie – útlum nebo rozvoj, analýza o potřebě dalších zdrojů, PDF Archivováno 24. 4. 2009 na Wayback Machine.
• Statistické údaje o jaderné energetice na webu ČEZ
• Fakta a mýty o jaderné energetice, článek na ÚJV v Řeži^{[nedostupný zdroj]}
• Jihočeští taťkové, občanské projaderné sdružení
• Pro Atom Web – nezávislý neziskový webzine o mírovém využití jaderné energie
• Státní energetická koncepce: Koncepce samotná, Aktualizace koncepce (posouzení vlivů na životní prostředí)
• Stručný výkladový slovník českých skeptiků, Jaderná energetika
• www.ian.cz, Instantní pamětník 8 Archivováno 1. 5. 2009 na Wayback Machine. Celovečerní propagandistický film původní sovětské výroby, zabývající se jaderným výzkumem
• Bývalý ředitel JE Temelín František Hezoučký hovoří o pravděpodobném vývoji po Fukušimských událostech
• Graf počtu reaktorů ve světě na atominfo