Jaderná energetika

Jaderná energetika, zdroje energie a význam energie pro společnost.

Vladimír Wagner

Těsně před koncem roku se na stránkách Britských listů rozproudila diskuze o možnostech získávání energie pro chod civilizace v následujících desetiletích. Zatímco Ferdinand Vomáčka, Jiří Krautwurm zastávali spíše optimističtější pozici, John Michael Greer, Jindřich Kalous a Karel Dolejší zastávají pozici krajně pesimistickou. Těsně po novém roce pokračoval v diskuzi Jindřich Kalous převyprávěním příspěvků Michaela Dittmara na stránkách „The Oil Drum: Europe“. Než se budu blíže věnovat konkrétně jaderné energii a komentáři k příspěvkům Michaela Dittmara, zastavil bych se chvíli u pojmu EROEI, kterým Jindřich Kalous často operuje.

Co je a co může říci EROEI?

Někteří autoři kritizuje srovnávání energetických zdrojů podle finanční ceny (v naši diskuzi například právě Jindřich Kalous) a staví proti němu tzv. EROEI (Energy Return of Energy Investment) - energetická návratnost investované energie. Jedná se o poměr mezi energií, kterou daný energetický zdroj vyprodukuje a energií, kterou přímo i nepřímo musíme do tohoto zdroje vložit. Problémem je, že se nejedná o čistě „fyzikální veličinu“. To by bylo v případě, kdyby se pro určení této veličiny využívaly pouze fyzikální zákonitosti. Ovšem hlavně při určení nepřímo vložené energie se musí využívat zákonitosti a veličiny ekonomické a často i peněžní ohodnocování. Tyto veličiny závisí na politických, sociologických a ekonomických faktorech a jejich určení není jednoduché. Je to také jeden z důvodů, proč jsou velmi často hlavně u energetických zdrojů, které jsou z nějakých důvodů kontroverzní, určené hodnoty EROEI tak rozdílné a promítají se do nich subjektivní faktory. Dalším důvodem značných rozdílů je i to, že EROEI některých zdrojů velmi silně závisí i na místních podmínkách, při kterých se využívají. Například u fotovoltaiky je důležitá míra slunečního svitu v dané oblasti, u větrných elektráren větrné podmínky, u využití uhlí dostupnost a kvalita této suroviny. Výsledná EROEI také závisí na tom, jestli autoři vycházejí striktně ze současného technického stavu nebo do svých výpočtů projektují předpokládaná budoucí vylepšení. Proto existuje řada studií EROEI různých zdrojů, avšak jejich srovnávání, kompilování a využívání v diskuzích o možných nejvhodnějších energetických zdrojích může být bez znalosti podrobností konkrétních studií hodně zavádějící.

Můžeme si to dokumentovat i na tabulce uvedené na stránkách o EROEI na české wikipedii, na které často odkazuje například i Jindřich Kalous. Závislost na podmínkách jasně dokumentují třeba dva uvedené rozsahy pro větrné zdroje. Jeden se týká Dánska a vhodných lokalit (kterých je však velmi málo) v Česku. EROEI je v tomto případě mezi 30 až 60. Druhý pak je údaj pro méně vhodné lokality v Česku a je mezi 10 až 20. S největší pravděpodobností jde navíc v obou případech nejspíše o výpočet EROEI pro využití větrných zdrojů „optimální formou“. Tedy v současnosti jako doplňkový zdroj a při nezapočítání nákladů na zajištění velkých transferů energie a velkého počtu neefektivně využívaných záložních zdrojů v případě jejich masivnějšího nasazení. Podobná situace je i při hodnocení využití sluneční energie.

Pokud se podíváme na jadernou energetiku, máme zde dokonce tři různé rozsahy. Jsou rozděleny na odhad převzatý ze studie „protijaderných“ zdrojů. Ten udává rozmezí pro EROEI mezi 3 až 10. Je třeba zdůraznit, že na rozdíl od ostatních hodnot uváděných ve zmíněné tabulce, jde v tomto případě o komplexnější studii, která zahrnuje nejen toky energií, ale velmi rozsáhle i jen možné dopady na životní prostředí. Většinou pak tento typ studií vede k dosti značnému snížení hodnot EROIE oproti klasickému postupu. Jde také o analýzu v současnosti pracujících jaderných elektráren, které jsou většinou starší a méně efektivního typu hlavně ze sedmdesátých a osmdesátých let. Další dva odhady jsou ze zdrojů „projaderných“. Oba jsou vztaženy k moderním elektrárnám, které se v současnosti budují. První je pro případ využití difúze při obohacování uranu (jde o energeticky náročnější způsob) a EROEI se pohybuje mezi 10 až 24. Druhý je pro případ využití centrifugálního obohacování, které je méně energeticky náročné a v současnosti dominantně využívané. Ten uvádí hodnoty EROEI mezi 43 až 59.

Na rozdílu mezi EROEI pro centrifugální a difúzní obohacování uranu lze velice dobře dokumentovat, že přechodem od jedné technologie ke druhé může hodnoty EROEI velice dramaticky změnit. Větší účinnost slunečních baterií nebo efektivnější výroba potřebných polovodičových materiálů by mohla značně změnit i EROEI u fotovoltaiky. Pochopitelně, že pro takové vylepšování existují fyzikální hranice, které překročit nelze, ale právě třeba u jaderné energetiky jsme u většiny relevantních procesů od těchto limitů značně daleko.

Jak je vidět z těchto několika příkladů, jsou odhady EROEI ve většině případů náročné, běžně dostáváme značné rozpětí hodnot a získané číslo má bez podrobností, jak se k němu dospělo, omezenou výpovědní hodnotu. Pokud si však zmíněná omezení uvědomujeme, jde o veličinu užitečnou. Ovšem podobně je to i s využíváním finančního posouzení výhodnosti jednotlivých zdrojů energie. Pokud si uvědomujeme určité možnosti deformací peněžního ukazatele, může být stejně důležitou informací.

Některé aspekty jaderné a dalších druhů energií

Ve zmíněné diskuzi na Britských listech se hodně hovořilo o jaderné energetice. Pracuji v jaderném výzkumu a o oblast jaderné energetiky se zajímám. Zároveň se zabývám výukou i popularizací fyziky. I to byl důvod, proč jsem technické otázky okolo využití jaderné energie podrobně popsal v cyklu článků na internetovém serveru Osel. Přehled odkazů na ně uveřejnil na Britských listech Leopold Kyslinger. I proto bych si dovolil se vyjádřit k názorům na jadernou energetiku, které byly v diskuzi na Britských listech prezentovány. Ještě než se podrobněji vyjádřím k názorům Michaela Dittmara, komentoval bych některá další témata zmíněná v diskuzi.

V předešlé části jsem rozebíral EROEI. Z většiny studií (což dokumentuje i zmiňovaná tabulka na wikipedii) vyplývá, že pro současnou jadernou energetiku dostáváme velmi dobré hodnoty. Ostatně výhodnost jaderných zdrojů vychází nejen z EROEI, potvrzuje ji i srovnání finančních nákladů na jednotku energie, kde dokáže jaderná energetika konkurovat i uhelným zdrojům.

Podívejme se na produkci oxidu uhličitého. Karel Dolejší ve své poznámce má sice pravdu, že i jaderná energie není úplně bez spotřeby fosilních paliv a emisí oxidu uhličitého. Ty se realizují hlavně v souvislostí se stavbou jaderné elektrárny a těžbou uranu, ale zapomněl dodat, že i v odkazu, který uvádí na podporu svého tvrzení, se říká, že produkce oxidu uhličitého během celého životního cyklu jaderného zdroje je na jednotku energie srovnatelná s energií větrnou, solární i vodní. A tedy jeho tvrzení, že jaderná energetika je jen o málo příznivější ke klimatu než uhelné elektrárny, už pravdivé není.

Přibližnou představu množství spotřebovaného paliva si můžeme udělat například z toho, že temelínský blok o výkonu 1000 MW spotřebuje ročně 26 tun obohaceného uranu, což reprezentuje zhruba 150 tun přírodního uranu. Tato čísla se liší podle typu reaktoru, ale ne dramaticky. Z toho je vidět, že množství paliva je velmi malé. V areálu jaderné elektrárny tak můžeme uskladnit palivo na řadu let provozu, v principu na celou dobu její životnosti. Díky tomu není doprava paliva i změna dodavatele problémem. Stejně malé je i množství vyhořelého paliva. V areálu elektrárny se tak ve většině případů dá přechodně uložit i značná část, případně i veškeré její vyhořelé palivo. To také znamená, že by v principu stačil pro trvalé uložení jaderného odpadu jen relativně velmi malý počet trvalých úložišť. Pro Evropu by stačilo jen pár. To, že se plánuje jejich stavba v řadě zemí, je politické rozhodnutí, dané hlavně tlakem zelených aktivit. Navíc lze očekávat, že pokročilejší technologie by v budoucnu mohly objem jaderného odpadu dále radikálně snížit.

Nyní bych se pokusil komentovat názory Michaela Dittmara prezentované Jindřichem Kalousem. Nejdříve bych si dovolil vysvětlit princip rozdílu fungování klasického a rychlého reaktoru. Převyprávění Jindřichem Kalousem je v tomto případě úplně chybné (Michael Dittmar to má v pořádku). Není pravda, že by v případě rychlého reaktoru vznikaly rychlejší neutrony a tím větší kinetická energie a teplota, jak píše Jindřich Kalous. V klasickém reaktoru vznikají neutrony, které jsou úplně stejně rychlé, jen se v něm zpomalují pomocí moderátoru (voda, těžká voda, grafit) na takové rychlosti, u kterých dramaticky stoupá pravděpodobnost, že způsobí štěpení. U rychlého reaktoru se neutrony nezpomalují. Pravděpodobnost, že způsobí štěpení je tak mnohonásobně menší a pro udržení řetězové reakce potřebujeme daleko vyšší hustotu neutronů. Abychom toho docílili, musíme mít daleko větší počet štěpení a kvůli tomu i daleko vyšší obohacení uranem 235. Obohacení u klasického reaktoru je většinou zhruba 4%, u rychlého pak zhruba okolo 20 %. Větší počet štěpení znamená větší uvolněnou energii a tedy i potřebu intenzivnějšího odvodu tepla. Větší produkci tepla nezpůsobuje tedy vyšší energie vznikajících neutronů ale jejich vyšší počet (a ekvivalentně vyšší počet štěpení). Větší hustota neutronů pak znamená i větší počet jejich reakcí s uranem 238 (případně thoriem 232) a vyšší intenzita produkce plutonia 239 (uranu 233), které lze využít jako palivo. Podrobněji o principu množivého reaktoru jsem psal zde.

Jak jsem zmínil, tak nesprávný popis funkce rychlého reaktoru vznikl až u Jindřicha Kalouse. I další technické nepřesnosti, které se v textu na Britských listech vyskytují, vznikly až převyprávěním a nejsou v původním textu Michaela Dittmara. Fakta, technický popis a číselné údaje jsou u něj většinou ve velmi dobré shodě s tím, co mám i ve svých článcích na Oslovi. Není moc divu, protože většinou vycházíme ze stejných znalostí a úplně stejných zdrojů. Odlišné jsou však interpretace, které z těchto faktů vyvozujeme.

Je renesance jaderné energetiky nebo není?

Jaderná energie se zatím dominantně uplatňuje při produkci elektrické energie (jen někdy s částečným využitím odpadního tepla k vytápění). Ostatně ani větrné elektrárny či fotovoltaika se v jiných oblastech také zatím neuplatňují. Proto je asi podstatné srovnat zastoupení zdrojů v této oblasti. V roce 2003 se vyrábělo 40,1 % elektřiny z uhlí, 6,9 % elektřiny z ropy a 19,4 % z plynu. Zhruba tedy 2/3 z fosilních paliv, jak o tom mluví i Michael Dittmar. Vodní energie dodávala 15,9 % a jaderné elektrárny 15,8 %. Obnovitelné zdroje (větrné, fotovoltaika, biomasa) pak pouze 1,9 %. Jestliže tedy Michael Dittmar uvažuje, že význam jaderné energetiky se mu zdá nereálně přeceňován a pochybuje na základě jejího současného podílu o možnostech jejího uplatnění při nahrazení fosilních paliv, co by měl asi vyvozovat o možnostech obnovitelných zdrojů, jejichž podíl je téměř o řád nižší?

To, že v posledních patnácti letech se připojovalo do sítě pouze 3 – 5 reaktorů ročně a že v řadě vyspělých zemí, které mají velký podíl a tradici v provozování jaderných elektráren, se nové jaderné bloky nestavěly, je pravda. Je však třeba říci, že to nebylo založeno na ekonomických, ale čistě na politických důvodech. Byl to důsledek tlaku protijaderných a zelených hnutí, které prohlašovaly, že spotřeba energie nebude stoupat, že jaderné zdroje nepotřebujeme a potřebnou energii dokážeme vyrobit jinými způsoby. Dokázaly tak rozvoj jaderné energetiky do značné míry zastavit. Vzpomeňme na Rakousko, Německo a ostatně i situaci u nás. Stačila jen o chlup silnější pozice zelených hnutí a dva bloky v Temelíně, které v současnosti spolehlivě produkují elektrickou energii a budou pracovat další desítky let, by nebyly. Místo nich by byly plynové nebo uhelné bloky.

Dlouho produkce jaderné energie rostla, i když počet reaktorů se téměř neměnil. Bylo to díky zlepšování efektivity a spolehlivosti konkrétních jaderných bloků. Například i některé naše bloky v Dukovanech zvýšily svůj výkon o deset procent. V současnosti už však realita zvýšených energetických potřeb v rozvíjejících se zemích a dosluhující staré jaderné bloky způsobily, že se výstavba nových bloků obnovila. Nejdříve právě v rozvíjejících se zemích. Plánování i výstavba nové jaderné elektrárny je však dlouhodobější záležitostí, takže renesance stavby nových bloků se nemůže projevit zlomově. Na druhé straně většina pracujících reaktorů byla postavena v průběhu dvaceti let a v těchto dobách se ročně připojovalo v maximu až 33 reaktorů. Není vcelku důvod se domnívat, že bychom nemohli postupně dosáhnout tempa výstavby, kterého byli schopni naši předchůdci. Vzhledem k tomu, že v současnosti je schopno podobné stavby více států než v tehdejší době, měli bychom je být schopni i překonat. Odpojování starých bloků nemusí být taky tak rychlé, jak předpokládá Michal Ditterman, protože u řady starých bloků se daří prodlužovat jejich životnost. Rozjezd renesance jádra je zatím sice pozvolný, ale pokud nebude opět z politických důvodů zablokován, mohl by se tak během následujících deseti let opravdu rozběhnout. Pokud se podíváme na Česko, tak v případě dostavby dvou bloků v Temelíně a jednoho dalšího v Dukovanech by se podle použitého typu bloků mohl zvýšit podíl jádra na výrobě elektrické energie až na 70 %. Nebyl by asi problém stavět později dostatek jaderných bloků, aby postupně nahrazovaly fosilní zdroje elektrické energie i ve světovém měřítku.

Bude dostatek paliva pro jadernou energetiku?

Předpokládejme, že zmíněné jaderné elektrárny nahrazující fosilní zdroje elektrické energie postavíme. Budeme mít pro ně dostatek uranu? Michael Dittmar se obává, že ne. Já si myslím, že ano. Oba při svých závěrech vycházíme ze stejných dat, jak se můžete přesvědčit srovnáním mého podrobném populárním rozboru o těžbě a zásobách uranu a přehledu Michaela Dittmara. Michael Dittmar kritizuje data světových agentur pro atomovou energii NEA a IAEA s tím, že se mu zdají převzata z ne vždy spolehlivých zdrojů a podle něho nadhodnocených. Je však třeba říci, že někteří odborníci zase naopak považují odhady NEA a IAEA za příliš konzervativní. Dále poukazuje na to, že se odhady už dlouhodoběji nemění, nepřibývají nové lokality a těžba stagnuje. V tom má pravdu. Ovšem tato situace je důsledkem dvou čistě politických rozhodnutí. První je už zmíněné zablokování rozvoje jaderné energetiky protijadernými hnutími. Druhé pak rozhodnutí o snížení množství zbraňových zásob vysoce obohaceného uranu, které bylo důsledkem konce studené války. Obojí vedlo k přesycení trhu s uranem, poklesu jeho ceny a téměř zastavení rozvoje těžby a prospekce uranu. Celkově není průzkum světových zásob uranu příliš rozvinutý a značně zaostává nejen za stavem průzkumu ropy a plynu. Řada oblastí tak není z tohoto hlediska prozkoumána a patrně existuje značné množství dosud neobjevených zásob. Navíc je třeba říci, že zmíněný odhad zásob publikovaný NEA a IAEA je pro cenu uranu 130 USD/kg. Pokud cena bude stoupat nad tuto hodnotu (a v nedávné minulosti byla i několikanásobná) stoupnou odhadované zásoby řádově. Cena uranu je jen velmi malou částí nákladů na produkci energie v jaderné elektrárně a i několikanásobné její zvýšení se v ceně produkované elektřiny téměř neprojeví. Nejen podle mého názoru by zásoby uranu i bez využití rychlých množivých reaktorů měly vydržet určitě do konce století. Ovšem shodneme se s Michaelem Dittmarem, že by bylo velice důležité investovat do důkladné prospekce zásob uranu a na základě přesných geologických dat provést jejich přesnou analýzu. Jedině tak lze rozhodnout, jaká je reálná situace.

Jak je to s perspektivami rychlých množivých reaktorů?

Je pravdou, že spolehlivě pracující energetický rychlý reaktor je pouze jeden. Kromě něho pracuje však řada takových reaktorů na ponorkách. Michael Dittmar má také pravdu, že ani pracující rychlý reaktor BN600 není reaktorem množivým. Takový reaktor musí mít specifickou konfiguraci aktivní zóny. Ovšem z hlediska fungování reaktoru se nejedná o tak velký rozdíl. Problém, jehož řešení je náročnější, je spojen hlavně s palivovým cyklem využívajícím takto produkované palivo. Vývoj v oblasti těchto reaktorů byl také poznamenán stagnací jaderné energetiky v osmdesátých a devadesátých letech a aktivitou protijaderných hnutí. I zastavení už téměř dokončeného projektu rychlého reaktoru Superphenix, který mohl poskytnout řadu velmi důležitých informací v této oblasti, bylo způsobeno hlavně těmito faktory.

Rychlými množivými reaktory by tak měly být až některé z typů reaktorů čtvrté generace. A plně se s Michalem Dittmarem shodnu, že tyto reaktory nebudou k dispozici dříve než za dvacet let. To jsem psal i ve svém povídání o nich. Podle mého názoru je to však dostatečně včas na to, aby postupně nahrazovaly reaktory II. a III. generace a vytvořily podmínky pro efektivní využití uranu a thoria. Tím by se umožnilo využívání jaderné energie na tisíciletí. Ovšem by bylo dobře se této oblasti intenzivně věnovat a vyhnout se dalším zdržením podobným tomu v předchozím dvacetiletí.

Popis stavu ve výzkumu termojaderné fúze a své názory na její možné využití jsem podrobně popsal. I zde se shoduji s Michalem Dittmarem, že komerční využívání termojaderných zdrojů nelze nejspíše očekávat dříve než ke konci tohoto století. Někomu se může zdát tato časová vzdálenost přílišná. Je však třeba si uvědomit, že rozvoj nejen energetiky je dlouhodobou záležitostí. My dnes využíváme objevy našich předků a zařízení často projektovaná a postavená už našimi otci či dědy. Je tak třeba připravit základnu pro rozvoj života našich dětí a vnuků.

Jaderná energetika není samospasitelná, ovšem může být v součinnosti s dalšími zdroji energie cestou k postupnému nahrazování fosilních zdrojů. Její podíl na produkci energie závisí na řadě faktorů. Pokud se podaří dramaticky zvýšit efektivitu skladování elektrické energie a účinnosti solárních článků, může být významnější podíl energie sluneční a větrné. Naopak, pokud se podaří úspěšně vyvinout vysokoteplotní reaktory čtvrté generace a vodíkové hospodářství, může se využití jádra posunout i do jiných oblastí, než je výroba elektrické energie. V každém případě se však v současnosti jaderná energie jeví, jako jedna z mála cest k nahrazení velkých fosilních zdrojů. Podle mého názoru je potřeba intenzivní výzkum v oblasti využití všech možných energetických zdrojů. Využívaný energetický mix pak přizpůsobovat daným podmínkám a vybírat ten nejefektivnější a nejšetrnější k životnímu prostředí. Jen tak je možné udržet životní úroveň v rozvinutých zemích a přiblížit ji postupně i životní úroveň rozvojových zemí bez ohrožení životního prostředí. Životní úroveň a vzdělání by mohly uvolnit obrovský lidský potenciál, který tam je, a zároveň automaticky vést ke snížení růstu obyvatel a tím i tlaku na pozemské zdroje.

Energie a společnost

Pokud jsem správně pochopil, je cesta, kterou navrhuje Jindřich Kalous, právě opačná. Zastavení výzkumu v oblasti získávání energie a řízené snížení spotřeby v rozvinutých zemích na úroveň zemí rozvojových. Ušetřené zdroje chce využít na přechod celého lidstva k existenci v podobě malých přežívajících soběstačných komun. Neuvedl sice nikde přesně, jak by taková cesta mohla vypadat. Ovšem, jak by taková cesta drastického omezení zdrojů mohla proběhnout bez úplného zrušení demokracie, si nedovedu představit. V konečném důsledku by tento směr podle mého názoru vedl k pádu lidské civilizace. Ale o tom už jsem s Jindřichem Kalousem diskutoval a asi by si to zasloužilo rozsáhlejší analýzu někdy v budoucnu.

Řež, 5. ledna 2010