V současnosti jsou základními tématy, které ovlivňují a rozhodují budoucnost jaderné energetiky tyto tři. Prvním a klíčovým je uvádění do provozu prvních reaktorů III. generace a otázka, zda se podaří přechod k těmto typům reaktorů a jestli budou úspěšné i ekonomicky. Zde se podařilo zprovoznit první exempláře už tří typů. Jsou to japonský varný reaktor ABWR, jihokorejský tlakovodní reaktor APR1400 a ruský tlakovodní reaktor VVER1200, který je první reaktor III+ generace v provozu. Další jsou pak těsně před spuštěním.

Druhým hlavním tématem je vývoj konkurenceschopných malých modulárních reaktorů. Zde jsme zatím nejdále v cestě k plovoucím jaderným elektrárnám, první z nich se už v Rusku buduje. Existuje řada dalších rozpracovaných koncepcí, které by se mohly dočkat prvních realizací během následujících deseti let.

Bloky APR1400 se dokončují i ve Spojených arabských emirátech (zdroj enec.gov.ae).

Třetím problémem je přechod k reaktorům IV. generace. Zde je zatím nejdále vývoj rychlých sodíkových reaktorů, prototypové vzory reaktorů, které jsou jejich předobrazem, už fungují jako komerční elektrárny v Rusku a spouští se v Indii.

V následujících řádcích bude nejdříve přehled jaderných technologií a jejich principů. Pak si rozebereme současný stav jaderné energetiky a její předpokládaný rozvoj a podíváme se také na možnosti uplatnění jaderných zdrojů v Česku.

Jaderné reaktory a jejich různé typy

Jaderné reaktory využívají k uvolňování energie štěpnou řetězovou reakci. Ta je umožněna tím, že těžká jádra mají oproti těm středně těžkým větší přebytek neutronů oproti protonům. Při jejich štěpení se tak kromě energie uvolňuje i několik neutronů. Zároveň se při záchytu neutronu tímto těžkým jádrem uvolňuje vazebná energie. Protože protony a neutrony mají tendenci se v jádře párovat, je uvolněná energie při záchytu sudého neutronu mnohem vyšší, než lichého. U těžkého jádra s lichým počtem neutronů stačí energie uvolněná záchytem neutronu k jeho rozštěpení. Uran má 92 protonů, tedy sudý počet, štěpit záchytem neutronů se tak dají jeho liché izotopy, například uran 235 nebo 233. Takové izotopy uranu se označují jako štěpné. Naopak sudý izotop uranu, například uran 238, prostým záchytem neutronu štěpit nelze. Je to možné pouze v případě, kdy má neutron dostatek energie, kterou do jádra vnese.

Jádra těžší než olovo nejsou stabilní a rozpadají se radioaktivním rozpadem. Ovšem některé z nich mají velmi dlouhý poločas rozpadu. Jde o uran 238 s poločasem rozpadu 4,5 miliardy let, uran 235 s poločasem rozpadu 0,7 miliardy let a thorium 232 s poločasem rozpadu 14 miliard let. Tato jádra vznikla při výbuchu supernov, což jsou konečná stádia velmi hmotných hvězd a ve Sluneční soustavě jsou od jejího počátku. Po celou dobu její existence se postupně rozpadají. Uran 235 má kratší poločas rozpadu a tak se rozpadá rychleji. To je důvod, proč v přírodní uranové rudě je pouze 0,7 % tohoto štěpného izotopu.

Všechny neutrony, které vzniknou při štěpení, nevedou k dalšímu štěpení. Mohou být zachyceny jádry, která se neštěpí. Úkolem jaderném reaktoru je zajistit, aby zhruba jeden neutron uvolněný pří štěpení způsobil další štěpení. V tom případě dosáhneme toho, že štěpná řetězová reakce bude stabilní, řízená a udržitelná. Neutrony s velmi nízkými energiemi a rychlostmi mají velmi vysokou pravděpodobnost, že budou zachyceny štěpnými jádry a způsobí štěpení. Ovšem při štěpení vznikají neutrony s relativně vysokou energií. Proto je výhodné neutrony zpomalovat – moderovat. Nejvíce energie ztrácí neutrony při rozptylu na jádrech, které mají podobnou hmotnost, tedy těch nejlehčích. Lze využít například vodu nebo grafit, což jsou materiály, které obsahují velmi lehké prvky.

Existují tak dva základní typy reaktorů. Termální reaktory využívají moderované neutrony s velmi nízkými rychlostmi blízkými jejich tepelnému pohybu a rychlé reaktory, u kterých se neutrony nemoderují.

Jednotlivé konkrétní typy reaktorů se pak liší tím, jaké materiály využívají jako palivo, moderátor a chladivo. V padesátých a šedesátých letech se vyzkoušela většina kombinací a z nich se postupně vytříbily sestavy, které se ukázaly být výhodné k energetickému využití a tvoří současnou světovou jadernou flotilu. Nejčastěji se využívají tlakovodní a varné reaktory, které jsou moderované a chlazené vodou. Příkladem tlakovodního reaktoru jsou například naše bloky v Dukovanech a Temelínu.

První komerční elektrárnou byla Calder Hall ve Velké Británii (zdroj energy.gov).

Dalším užívaným typem je reaktor moderovaný a chlazený těžkou vodou, která obsahuje těžký vodík - deuterium. Jeho výhodou je, že deuterium pohlcuje neutrony s menší pravděpodobností než lehký vodík. Reaktoru tak při vhodném uspořádání stačí daleko menší obohacení štěpným izotopem uranu 235 a může tak využívat přírodní uran. Příkladem takového typu jsou například kanadské reaktory CANDU.

Reaktory moderované grafitem mohou být chlazené vodou, jako je tomu u modelu RBMK, který je známy z Černobylu, nebo plynem. Reaktory moderované grafitem a chlazené plynem Magnox a AGR vyvinula a využívá Velká Británie.

První jaderný reaktor se rozběhl v roce 1942 pod vedením Enrica Fermiho. První reaktor dodávající elektřinu začal pracovat v červnu 1954 v Obninsku v Rusku. Jeho výkon byl 5 MWe. První komerční jaderná elektrárna Calder Hall 1 začala pracovat 27. srpna 1957 ve Velké Británii, její výkon byl 50 MWe.

V šedesátých letech se vybudovala řada reaktorů první generace, které odzkoušely jednotlivé možnosti a ukázaly, že je možné využít jádro k výrobě elektřiny v masovém měřítku. Postupně se vytříbilo několik typů reaktorů, které se osvědčily a začaly se stavět a využívat ve větším počtu. V sedmdesátých a osmdesátých letech se tak přešlo k reaktorům II. generace, které reaktory generace I postupně nahradily. Šlo o projekty, které se vyvinuly z úspěšných modelů generace předchozí. Hlavními cíli bylo zlepšení bezpečnostních a ekonomických parametrů. Poslední reaktor I. generace ukončil provoz ve Velké Británii na konci roku 2015. Jednalo se o plynem chlazený reaktor moderovaný grafitem typu Magnox, který dodával elektřinu 45 let.

Elektrárna Bruce v Kanadě využívá reaktory moderované těžkou vodou typu CANDU (zdroj Canadian Nuclear Association)

Reaktory III. a III+ generace

V současné době se začínají uvádět do provozu první reaktory III. generace, které by měly být hlavními tahouny klasické jaderné energetiky. Vznikly evaluací nejúspěšnějších modelů reaktorů II. generace a mají mnohem lepší bezpečnostní, užitkové i ekonomické charakteristiky.

Mezí zásadní bezpečnostní vylepšení patří dvojitý kontejnment, který vydrží pád letadla. Široké zavedení inherentních a pasivních prvků nejen u chlazení, které umožní vydržet 72 hodin úplného výpadku elektřiny bez jakéhokoliv zásahu. Součástí je i lapač aktivní zóny v případě jejího roztavení. Další bezpečnostní prvky byly posíleny v reakci na havárii v elektrárně Fukušima.

Efektivní využití umožňuje co nejsnadnější regulovatelnost výkonu, jejíž význam roste se stále vyšším zapojením fluktuujících obnovitelných zdrojů do sítě. Moderní tlakovodní reaktory jsou schopné sledovat výkon v rozmezí mezi 30 % až 100 % nominálního výkonu s rychlostí mezi 1 – 3 % nominálního výkonu za minutu. V menším rozsahu výkonu mohou probíhat změny i rychleji. Příkladem současných parametrů je například reaktor EPR, který při nominálním výkonu téměř 1500 MWe je schopen měnit výkon v rozsahu mezi 60 až 100 % nominálního výkonu s rychlostí 5 % nominálního výkonu za minutu při udržení konstantní teploty bez snížení životnosti komponent reaktoru. V případě, že se smíříme s jistým tepelným stresem a rizikem snížení životnosti některých komponent může být tato rychlost i 10 % za minutu. Reaktor EPR by měl umožňovat měnit výkon mezi 25 % až 100 % za 30 minut.

Při budování se uplatňuje modulárnost, řada větších celků se montuje ve výrobním závodě a dopravuje se na staveniště již sestavená. Široce se uplatňuje standardizace, která by měla umožnit hromadnou výrobu většiny komponent a snížení nákladů.

První typ reaktoru této generace se rozběhl v Japonsku v roce 1996. Jednalo se varný reaktor ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) s výkonem 1300 MWe v současné době nabízený firmou GEH (General Electric Hitachi Nuclear Energy) a Toshiba. Dva tyto reaktory byly dokončeny v letech 1996 a 1997 v elektrárně Kašiwazaki-Kariwa jako šestý a sedmý blok. Tyto dva bloky úspěšně přestály v červnu 2007 druhé největší zemětřesení, které kdy zasáhlo jaderné zařízení. Po necelých dvou letech kontrol, analýz a úprav, které jejich seismickou odolnost ještě zvýšily, byly v roce 2009 opět zprovozněny. Dalšími těmito reaktory jsou Hamaoke 5 zpuštěný v roce 2004 a Šika 2 uvedený do provozu v roce 2006. Všechny tyto bloky jsou od roku 2011, jako důsledek havárie jaderné elektrárny Fukušima I, odstaveny. V současné době nejsou v provozu a probíhají v nich úpravy, aby odpovídaly novým bezpečnostním pravidlům. Vyrábět začnou opět až po schválení japonským úřadem pro jadernou bezpečnost NRA a následnému akceptování jejich provozu místními komunitami.

Bloky Kašiwazaki-Kariwa 6 a 7 obsahují varné reaktory III. generace ABWR (zdroj knowledgenuts.com).

Dva rozestavěné bloky tohoto typu jsou v Japonsku, jde o bloky Óma a Šimane 3, další dva pak v elektrárně Lungmen na Tchaj-wanu. Zda a kdy budou tyto bloky dokončeny je otevřenou otázkou a závisí hlavně na postoji veřejnosti.

V době provozu se reaktory plně osvědčily a podařilo se jim překonat i extrémně silné zemětřesení. Ovšem na seriózní posouzení toho, zda opravdu mohou splnit bezpečnostní a ekonomická očekávání kladená na reaktory III. generace, byla doba provozování příliš krátká. Výstavba reaktorů ABWR se připravuje také ve Velké Británii, po dvou blocích v elektrárnách Wylfa Newydd a Oldbury B. Posouzení projektu britským úřadem pro jadernou bezpečnost ONR by mělo být dokončeno koncem roku 2017, všechny potřebné dokumenty a stavební povolení by měly být v roce 2018 a předpokládaný rok zahájení stavby prvního bloku je 2019.

Druhým zprovozněným reaktorem III. generace se stal jihokorejský tlakovodní reaktor APR-1400. Ten vyvinula firma KEPCO (Korea Electric Power Corporation) a první pracuje jako třetí blok v elektrárně Sin Kori (Shin Kori) od roku 2016. Spuštění bloku stejného typu Sin Kori 4 se zpozdilo a mělo by k němu dojít v roce 2018. Další dvojice reaktorů APR-1400 se buduje v elektrárně Sin Hanul (Shin Hanul). V letech 2017 a 2018 by se měla zahájit výstavba dvojice bloků Sin Kori 5 a 6 a dvojice Sin Hanul 3 a 4. I když realizace nových reaktorů v Jižní Koreji silně závisí na postoji politiků a veřejnosti. Společnost KEPCO staví čtyři tyto bloky také v elektrárně Barakah ve Spojených arabských emirátech (SAE). Zatím práce probíhají v plánovaných termínech. První blok byl dokončen na začátku roku 2017, a jeho spuštění by se mělo realizovat během let 2017 a 2018.

Posledním již fungujícím typem reaktoru III. generace, je ruský tlakovodní reaktor VVER1200, který vznikl vývojem na základě bloků provozovaných i v Temelíně. Jedná se o blok Novovoroněž II-1 a je šestým v Novovoroněžské jaderné elektrárně. Dva reaktory modelu VVER1200/V392M se v této elektrárně budují od roku 2007. V březnu 2016 bylo do prvního z nich zavezeno palivo a dne 20. května u něj začala probíhat štěpná řetězová reakce. Jeho komerční provoz byl zahájen koncem února 2017. Druhý by pak měl být spuštěn v roce 2017. V polovině roku 2016 byl instalován vnější plášť kontejnmentu a pokračují práce na jeho dokončení. Nové bloky nahrazují nejstarší reaktory typu VVER440, které jsou v této elektrárně. Blok Novovoroněž 3 byl prvním zařízením tohoto typu a 28 prosince 2016 byl odstaven po 45 letech provozu. Za tu dobu vyrobil 118,7 TWh elektřiny. Reaktor Novovoroněž 4 by měl být odstaven v roce 2018.

V květnu 2017 byly zahájeny tlakové testy prvního bloku VVER1200 v druhé fází Leningradské elektrárny, do konce roku by mohl začít pracovat. Druhý pak až po roce 2018, kdy se definitivně odstaví po téměř 45 letech provozu první blok RBMK v první fázi této elektrárny. Start třetího a čtvrtého bloku Leningradské elektrárny II se plánuje na roky 2020 a 2021, ale nejspíše se posune.

Turbína nových bloků VVER1200 v Leningradské jaderné elektrárně (zdroj power_m.ru).

V roce 2016 byla zahájena příprava staveniště pro druhou fázi Kurské jaderné elektrárny. Stavební povolení dostala stavba v červnu a následně začaly výkopové práce. Budují se zde čtyři bloky VVER-TOI (Typical Optimized, with enhanced Information) s výkonem 1255 MWe, které nahradí reaktory RBMK první fáze této elektrárny. Betonáž jaderného ostrova prvního bloku by měla být zahájena v roce 2018 a dokončení se plánuje na rok 2022. Půjde o referenční stavbu tohoto vylepšení reaktoru III+ generace VVR1200.

Jaderné reaktory a jaderné technologie celkově se stávají jedním z nejlepších a nejefektivnějších vývozních artiklů Ruska. Dva bloky VVER1200 se budují v první běloruské jaderné elektrárně Ostrovec. Pokud se stihne zahájení provozu prvního reaktoru podle plánu v listopadu 2018, bude mít Rusko fungující blok nejen doma, ale i v zahraničí. A to bude velká výhoda při nabízení projektů zahraničním zákazníkům.

Jeden blok VVER1200 se připravuje v jaderné elektrárně Hanhikivi ve Finsku, dva v maďarské elektrárně Paks, čtyři reaktory v turecké elektrárně Akuyu (zde půjde o bloky VVER-TOI). Stavba těchto reaktorů se připravuje v Bangladéši, kde by se měly postavit dva bloky v elektrárně Rooppur. V tomto případě Rusko úvěruje až 90 % projektu. Projekt obdržel povolení pro zahájení přípravných prací, což znamená geologický průzkum a přípravu staveniště. Práce na projektu včetně prvních betonáží by měly být zahájeny v roce 2017. Dokončení všech zmiňovaných reaktorů se očekává v první polovině dvacátých let. Základní kámen pro výstavbu dvojice VVER1000 s parametry III+ generace byl také položen v březnu 2017 v iránské elektrárně Bušehr.

Pokračují práce na přípravě staveniště elektrárny Hanhikivi 1 s blokem VVER1200 (zdroj Fennovoima).

Ve výstavbě jsou ještě tři další typy reaktorů III. generace. Tlakovodní reaktor EPR s výkonem zhruba 1700 MWe firmy AREVA se buduje ve finské elektrárně Olkilluoto. U něj byly v polovině roku 2017 zahájeny funkční testy za studena. Druhý se dokončuje ve francouzské elektrárny Flamanville. Zde se v roce 2017 snad vyřešil problém s kvalitou reaktorové nádoby. Dokončení těchto bloků se očekává v roce 2018. Další dva v čínské elektrárně Tchaj-šan (Taishan) jsou ve fázi testů a jejich zprovoznění se očekává v letech 2017 a 2018. Výstavba bloků EPR se připravuje také v elektrárně Hinkley Point C.

Jaderný blok Olkiluoto 3 s reaktorem EPR by měl být uvedeno do provozu v roce 2018 (zdroj TVO).

Dvě dvojice tlakovodních reaktorů AP1000 se dokončují v elektrárnách San-men (Sanmen) a Chaj-jang (Haiyang). Jejich dokončení se očekává v letech 2017 a 2018. Ve Spojených státech jsou to pak dvě dvojice v elektrárnách VC Summer a Vogtle. Tam je dokončování ovlivněno finančními problémy firmy Westinghouse a jeho současného vlastníka firmy Toshiba. Je vysoce pravděpodobné, že výstavba bloků VC Summer se zastaví. Naopak v případě elektrárny Vogtle se investor rozhodl ve stavbě pokračovat.

Rozestavěné jsou také čínské reaktory III+ generace Hualong One. První dvojice bloků se začala stavět v roce 2015 jako pátý a šestý v elektrárně Fu-čching (Fuquing). Budují se i v zahraničí, výstavba dvou v pákistánské elektrárně Karáčí byla zahájena v letech 2015 a 2016.

V podobě projektu je ještě několik dalších modelů reaktorů III. generace, ovšem ty se zatím nedostaly do fáze realizace. Varianta projektu AP1000 s výkonem okolo 1500 MWe byla vypracována pod označením CAP1400 společně firmou Westinghouse a čínskou firmou SNPTC (State Nuclear Power Technology Corporation). První demonstrační blok by se měl začít stavět v roce 2017 v Š´-tao-wan (Shidaowan) v provincii Šan-tung (Shandong). Měl by se stát jedním z hlavních čínských modelů pro domácí využití i vývoz.

Pro nás zajímavým modelem může být tlakovodní reaktor ATMEA 1, který vyvinuly firmy Areva a Mitsubishi. Ten svým výkonem 1150 MWe by se hodil lépe pro naše plány v Temelíně a Dukovanech. Kromě lehkovodních reaktorů jsou to i následovníci kanadských těžkovodních reaktorů CANDU. Výkon navrhovaného reaktoru EC6 je 750 MWe.

Je vidět, že existuje značný počet modelů reaktorů III. generace. K tomu, aby se ukázaly ekonomické parametry každého z nich a výhody standardizace a hromadné výroby, musí být postaven v dostatečném počtu kusů. To silně závisí i na tom, zda se opírá o zázemí rozvoje jaderné energetiky v zemi původu. V tomto směru má velkou výhodu Čína a Rusko. Do nedávna ji také mělo Japonsko a Jižní Korea. Rozvoj jaderné energetiky v následujících letech je velmi silně závislý na úspěchu těchto reaktorů. Mezi těmito modely se bude vybírat pro Temelín, Dukovany a případně další velkou jadernou elektrárnu v Česku.

Stavba bloků AP1000 v americké elektrárně Vogtle (zdroj Georgia Power).

Malé modulární reaktory

Zatím se energetické reaktory staví dominantně s velkým výkonem, který přesahuje 500 MWe a blíží se až 2000 MWe. To znamená, že je lze využít jen jako velký zdroj a počáteční investice jsou velmi vysoké. Malé energetické reaktory se tak konstruují většinou jen ve specifických případech, jako jsou zdroje pro speciální lodě či ponorky. Příkladem mohou být ruské ledoborce určené pro Arktidu. To značně omezuje možnosti využívání jaderné energetiky. Proto se v poslední době věnuje značné úsilí vývoji malých modulárních reaktorů.

Takové by měly mít elektrické výkony menší než 300 MWe a měly by se stavět modulárním způsobem. Většina konstrukčních prací proběhne ve výrobním závodě a samotná instalace na místě už bude jednoduchá. Velikosti jaderných bloků a elektráren se zvětšovaly i proto, že náklady na obsluhu a zajištění ochrany a bezpečnosti jaderného zařízení s jeho velikostí rostou relativně pomalu. Pro malé modulární reaktory je tak třeba tyto náklady snížit. Toho by se mohlo dosáhnout tím, že se budou konstruovat v podobě uzavřené velmi kompaktní baterie. Cyklus výměny paliva by se prodloužil na několik let až desetiletí. Modul by se pro výměnu odvezl do specializovaného závodu a při odvozu vyměnil za modul s čerstvým palivem. Dalším důležitým prvkem by měl být pasivní způsob chlazení a možné umístění kontejnmentu pod zem.

Projektů ve velice různém stavu rozpracovanosti je řada. Některé z nich jsou blízké klasickému pojetí, jen se velký jaderný blok skládá postupně z menších modulárním způsobem, což snižuje počáteční investice a finanční rizika. Jiné jsou pak i velmi novátorské a svým pojetím se blíží popsané kompaktní jaderné baterii. Ty by mohly sloužit jako lokální zdroje elektřiny a tepla. Jaderná energetika by se tak mohla využívat v oblasti, která je jí zatím uzavřena.

Představa výtvarníka o modulárním reaktoru o výkonu 50 MW společnosti NuScale Power (zdroj NuScale Power).

K realizaci dospěl zatím jen specifický případ plovoucí jaderné elektrárny, která se staví v Rusku. Plovoucí elektrárna Akademik Lomonosov má dva reaktory KLT-40S, které dohromady dodávají 70 MWe a 300 MWt. Tento typ reaktorů je v jiné variantě využíván na atomových ledoborcích a lodích. První vyrobený kus bude umístěn ve městě Pevek, kde se v roce 2016 začala budovat pozemní infrastruktura pro připojení elektrárny. Bude se využívat nejen elektřina, ale také teplo k vytápění. Plovoucí jaderná elektrárna nahradí výkon odstavovaných bloků Bilibinské jaderné elektrárny a Čaunské tepelné elektrárny a zajistí celou potřebu Čaunsko-Bilibinského energetického uzlu. Testy plovoucí elektrárny by měly proběhnout ke konci roku 2017, poté by se měla přesunout do Peveku. Do komerčního provozu by se měla dostat v roce 2019 po důkladných testech. Podobný projekt plovoucích jaderných elektráren zahájila také Čína pro rozvoj svých šelfových oblastí.

Intenzivní podporu mají projekty malých modulárních reaktorů ve Velké Británii, která přijala velmi striktní zákony na rychlé omezení emisí oxidu uhličitého. Při realizaci jejich cílů se bez poměrně intenzivního využívání jaderných zdrojů neobejde. Na jejich vývoj tak byly vyčleněny ne úplně malé prostředky v rozsahu okolo 250 milionů liber do roku 2020. Tyto finance budou využity v rámci soutěže o projekt malého modulárního reaktoru pro Velkou Británii. Jedním z největších průkopníků v této oblasti je firma Fluor Corp. Tato společnost vyvinula reaktor NuScale, jehož konstrukce byla začátkem roku 2017 přijata k posouzení americkým úřadem pro jadernou bezpečnost NRC. Dle odhadů Fluor Corp je možné uvést reaktor do komerčního provozu ve Spojeném království do roku 2025. Otázka reálnosti této předpovědi je však podle mě otevřená. Ve velké Británii bude tato firma spolupracovat se společností Sheffield Forgemasters International Ltd (SFIL).

Dalším kandidátem je malý modulární reaktor firmy Westinghouse, který je kompaktním tlakovodním reaktorem s výkonem 225 MWe, jehož bezpečnostní prvky byly vyvinuty pro zmíněný reaktor AP1000. Podle dokončené studie existují ve Velké Británii možnosti pro všechny komponenty celého potřebného výrobního cyklu těchto reaktorů a Westinghouse nabízí i výrobu paliva v britských zařízeních.

Do soutěže o vývoj takového reaktoru se plánuje přihlásit i konsorcium firem EdF a CGN, a také konsorcium vytvářené okolo firmy Rolls-Royce. Jako možný kandidát pro první malý modulární reaktor by mohla být elektrárna Trawsfynydd ve Walesu. I firma Rolls-Royce pracuje na vývoji tlakovodního reaktoru. Jde tedy opět o tradiční koncept, jehož výkon by byl spíše u horní hranice výkonů uvažovaných pro malé modulární reaktory.

Daleko inovativnější projekt představuje firma StarCore Nuclear, která vyvíjí vysokoteplotní reaktor chlazený heliem a moderovaný grafitem. Plánuje velice kompaktní malý reaktor s výkonem 20 až 100 MWe, který by se dal přepravovat kamionem. Předběžná studie tohoto reaktoru IV. generace byla zaslána k posouzení kanadskému úřadu pro jadernou bezpečnost.

Existuje řada ještě inovativnějších projektů. Jedním z takových je například i projekt „Energy well“, o kterém uvažuje Centrum výzkumu Řež, dceřiná firma ÚJV. Ve světě se uvažuje dokonce o „mikromodulech“ s výkony řádu jednotek megawatt. Příkladem jednoho z nejexotičtějších je reaktor IMSR (Integral Molt Salt Reactor) kanadské firmy Terrestial Energy. U něj je palivo rozpuštěno v tekutých solích, které slouží jako nosič paliva i chladivo. Vznikající štěpné produkty i transurany se průběžně odebírají a nedochází k jejich hromadění a problémům, které se pozorovaly ve Fukušimě. Při ztrátě chladiva tak také z aktivní zóny zmizí palivo a reaktor se tak zastaví.

Rychlý sodíkem chlazený reaktor BN-800 je druhý takový v Bělojarské jaderné elektrárně (zdroj Rosenergoato).

Téměř všechny návrhy malých modulárních reaktorů jsou však zatím v takové fázi, že nelze odhadnout, zda a případně kdy se mohou realizovat. Je však třeba počítat s tím, že se těžko začnou komerčně využívat před rokem 2030.

Reaktory IV. generace

Pokud se lidstvo rozhodne pro dlouhodobé využívání jaderné energie, bude potřeba postupně vyvinout a začít provozovat reaktory čtvrté generace. Ty by měly přispět k efektivnějšímu využití zásob uranu a thoria, snížení objemu jaderného odpadu ukládaného pod zem na jednotku vyrobené elektřiny a k vysoké efektivitě produkce elektřiny.

Existuje šest hlavních koncepcí, z nichž většinou jde o rychlé reaktory umožňující i provoz v množivém režimu. Mohou tak efektivně přeměňovat uran 238, kterého je 99,3 % na štěpné plutonium 239, případně thoria 232 na uran 233. Další jejich výhodou je efektivnější možnost spalování různých transuranů, které jsou z hlediska délky poločasu rozpadu a radiotoxicity nejproblematičtější součástí vyhořelého jaderného paliva. Zbývající jsou velmi efektivní termální reaktory, které by měly zlepšit ekonomiku výroby elektřiny z jádra.

Nejblíže k realizaci jsou rychlé reaktory chlazené sodíkem a chlazené tekutým olovem. Řada těchto reaktorů fungovala a funguje jako výzkumné, experimentální a demonstrační. Takovými byly například francouzské reaktory Phénix a Superphénix ve Francii, které už jsou nyní odstavené. Nedávno byl do provozu uveden čínský demonstrační blok CEFR s elektrickým výkonem 10 MWe. Jediným komerčně provozovaným reaktorem byl donedávna pouze ruský reaktor BN600 v Bělojarské jaderné elektrárně. Reaktory chlazené olovem se využívaly například v ruských jaderných ponorkách.

Dalším významným krokem bylo v tomto směru nedávné zprovoznění rychlého sodíkového reaktoru BN800 jako čtvrtého bloku Bělojarské jaderné elektrárny v Rusku. Štěpná reakce se sice u něj rozběhla poprvé už v roce 2014, ale objevily se problémy s kvalitou palivových souborů. Takže testování reaktoru a jeho příprava se značně protáhly. Štěpná reakce byla několikrát spuštěna a zastavena. Už v té době plnil reaktor jeden ze svých nejdůležitějších úkolů. Pomáhá najít nejlepší technologická řešení pro nový větší model sodíkového reaktoru BN1200, který by už měl být komerčním typem určeným pro hromadnou výstavbu i vývoz. První by se měl začít budovat zase v Bělojarské jaderné elektrárně. Má mít větší palivové soubory a jednodušší průběh výměny paliva. Po vyřešení problémů s palivem dostal blok v listopadu 2015 povolení k provozu, opět se spustila řetězová štěpná reakce a postupně se začal zvětšovat jeho výkon. Dne 10. prosince 2015 vzrostl tepelný výkon na 35 % nominálního a došlo k zahájení dodávek elektřiny do elektrické sítě Uralu. Postupně se zvyšoval výkon, nejdříve na 50 % nominálního a 17. srpna 2016 běžel reaktor poprvé na 100 % výkonu. Komerční provoz pak zahájil 31. října 2016. V Bělojarské elektrárně tak nyní běží v komerčním provozu dva sodíkové reaktory BN600 a BN800.

Velín výzkumného reaktoru BOR 60 (zdroj NIIAR).

Při využití reaktoru pro spalování transuranů z vyhořelého paliva je velmi důležité zlepšování metod separace různých transuranů z něj. Koncem roku 2016 se úspěšně dokončila metoda pro separaci americia a curia. Ta umožňuje dostat velmi čisté americium, což by mělo umožnit jeho efektivní spalování v rychlých reaktorech. Efektivní oddělování různých transuranů umožní spalování řady z nich v rychlých reaktorech a snížení objemu a nebezpečnosti radioaktivního odpadu, který musí jít do trvalého úložiště. Mělo by přispět i při jejich případném využívání v radionuklidových zdrojích, například pro kosmický výzkum.

Rozvoji reaktorů IV. generace pomůže také výzkumný rychlý reaktor MBIR, který nahradí reaktor BOR-60 v ruském Dimitrovgradu. Je třikrát větší, jeho tepelný výkon bude 150 MWt a elektrický 55 MWe. Je sice chlazený sodíkem, jako reaktor BOR-60, ale bude obsahovat tři nezávislé smyčky ke zkoumání různých chladících látek (plynu, olova a tekutých solí). Zajímavostí je, že se na jeho využívání budou podílet i české instituce.

Ke spuštění se blíží také rychlý sodíkový reaktor s elektrickým výkonem 500 MWe v indickém Kalpakkamu. U něj by se po několikerém odložení měla štěpná reakce rozběhnout v říjnu 2017. Zahájení výstavby dvojice dalších bloků stejného typu bude na stejném místě zahájena v roce 2021. To poskytuje dostatek času na využití znalostí získaných při zprovozňování prvního bloku. Indie chce pomocí kombinace rychlých reaktorů a těžkovodních termálních reaktorů začít využívat thoriový cyklus, tedy přeměnu thoria 232 na uran 233 a jeho spalování.

Instalace první nádoby reaktoru HTR-PM v Š´-tao-wan (China Huaneng).

Významným krokem v oblasti vývoje reaktorů IV. generace klasického typu využívajícího moderované neutrony by měl být demonstrační vysokoteplotní reaktor chlazený plynem s kulovým ložem HTR-PM (High Temperature Gas Cooled Reactor – Pebble-Bed Module). Jde o reaktor chlazený héliem a moderovaný grafitem, který využívá palivo tvarované do formy kuliček. Použitý uran má obohacení 8,5 %, tedy zhruba dvojnásobné než v reaktorech, které jsou v Temelíně. Kuličky o průměru 6 cm budou obsahovat zhruba 7 g uranu ve formě oxidu obaleného grafitovým ochranným pláštěm, který bude zároveň moderovat neutrony. Takových kuliček bude v reaktoru více než 400 000. Zařízení pracuje při teplotě okolo 1000˚C, což umožňuje i velice efektivní produkci vodíku a také vyšší účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou. Ta bude přes 40 %.

V již zmiňovaném Š´-tao-wan se dokončuje dvojice takových reaktorů, které budou využívat jednu plynovou turbínu s výkonem 210 MWe. V březnu se dovezla reaktorová nádoba pro první reaktor a následně se instalovala. Druhá se pak přivezla a instalovala v květnu 2016. Začátkem dubna 2017 se začaly do svého lože v aktivní zóně ukládat kuličky s palivem. Ve stejném místě by se mělo postavit ještě 18 dalších jednotek. Projekt větší jednotky vysokoteplotního reaktoru HTR o výkonu 600 MWe se připravuje pro město Žuej-ťin (Ruijin) v provincii Ťiang-si (Jiangxi). Budování dvou takových jednotek má být zahájeno v roce 2017 a dokončení se čeká roce 2021. Na vývoji a budování vysokoteplotních reaktorů spolupracuje Čína i s dalšími státy, například Indonésií a Saudskou Arábií.

Dokončení vývoje prvních reaktorů čtvrté generace lze sice očekávat již v následujících deseti až patnácti letech, ovšem jejich masivnější nasazení proběhne až v padesátých letech.

Práce na konečném úložišti vyhořelého jaderného paliva Onkalo ve Finsku (zdroj Onkalo).

Jaké jsou nutné podmínky pro využívání jaderné energie?

Rozvoj a využívání jaderné energetiky nejsou vhodné pro všechny státy. Důležitou podmínkou je přítomnost vzdělané a technologicky rozvinuté společnosti. Pokud se daná země pro využívání jaderné energie rozhodne, jde o dlouhodobý závazek. Samotné jaderné bloky mají životnost, která u těch moderních dosahuje šedesáti let a je třeba také počítat s jejich likvidací po skončení životnosti a také případné recyklace vyhořelého paliva a uložení zbývajícího vysoce aktivního jaderného odpadu pod zem. Objem vzniklého jaderného odpadu je relativně velmi malý, takže bez ohledu na intenzitě využívání jaderné energetiky v dané zemi v principu stačí jedno hlubinné úložiště. Intenzivní využívaní jaderné energie tak nejen z tohoto důvodu silně snižuje náklady na jednotku vyrobené energie.

Velmi důležitým faktorem pro využívání jaderných elektráren je jejich akceptace veřejností a stabilita této podpory. Jde o velmi dlouhodobou investici, která je citlivá na dlouhodobou politickou, vzdělanostní i ekonomickou stabilitu společnosti.

Důležitým úkolem pro akceptaci jaderné energetiky je demonstrace, že dokážeme podzemní konečné úložiště jaderného odpadu vybudovat. Významným zlomem je tak stavební povolení, které obdržela v listopadu 2015 firma Posiva pro výstavbu trvalého podzemního úložiště ve finském Olkiluoto. O budování podzemního trvalého úložiště rozhodly finská vláda, parlament a samosprávy v roce 2001 a razící práce začaly v roce 2004. Podzemní komplex Onkalo vzniká v žulovém masivu zhruba 5 km od jaderné elektrárny Olkiluoto.

K ukládání se využije metoda KBS-3 vyvinutá ve Švédsku, kdy se jaderný odpad uloží do litinových kontejnerů obohacených bórem, které obsahují 12 palivových souborů. Ty se dají do měděné obálky a ta se pak zasune do betonitu, kterým se vyplní kruhová díra hluboká devět metrů a průměru dva metry. Tato lože pro kontejnery jsou v chodbách v hloubce zhruba 500 m pod povrchem.

Vyhořelé palivo se u nás zatím ukládá v suchých meziskladech kontejnerech typu Castor (zdroj Škoda JS a.s.)

Vybudovány jsou tři šachty (jedna pro personál a dvě ventilační), přístupový tunel do hloubky až 455 m a testovací tunely, které slouží ke geologickému průzkumu a ověřování technologií. Přístupový tunel má sklon 1:10, šířku 5,5 m a výšku 6,3 m. V současné době bylo zahájeno reálné budování úložiště. Dokončení jeho první etapy se očekává v roce 2020, kdy by mělo zařízení dostat provozní licenci. Ukládání jaderného odpadu by tak mělo být zahájeno v roce 2023. Zatím se předpokládá provoz zhruba okolo 100 let a poté by mělo být uložiště zaplombováno. Předpokládá se zde uložení odpadu z jaderných elektráren Loviisa a Olkiluoto. Dohoda mezi firmou Posiva a elektrárnou Hanhikivi se nezdařila, takže ta předpokládá zatím vybudování nového úložiště.

Předpokládané náklady na vybudování by měly být okolo 27 miliard korun a celková částka se zahrnutím provozu po zmíněných sto let pak okolo 95 miliard korun. Půjde o první zprovozněné trvalé úložiště silně radioaktivního dlouhodobého odpadu. Hlavním úkolem je ukázat, že existuje metoda řešení problému s jaderným odpadem. Úspěchy a zkušenosti Finska s prosazením a budováním trvalého úložiště chce využít řada států s jadernou energetikou včetně Česka.

V říjnou 2016 se nový sarkofág se nasunul nad zničený čtvrtý černobylský blok (zdroj Tim Porter, wikipedie).

Havárie v jaderné energetice

Jedním z hlavních argumentů oponentů jaderné energetiky je riziko havárie. Je jasné, že stejně jako jiné technologie, má i jaderná energetika svá rizika. Ozáření či únik radioaktivity do životního prostředí mohou být velice nebezpečné, proto se věnuje eliminaci této možnosti extrémní pozornost. A bezpečnostní nároky na jaderná zařízení jsou velmi vysoká. Na druhé straně byly za celou dobu využívání jaderné energetiky pouze tři velké havárie, které vedly k masivnějšímu úniku radioaktivity.

Havárii reaktoru v elektrárně Three Mile Island v roce 1979 vedla jen k velmi mírnému úniku radioaktivních látek a neměla dopady na životní prostředí v okolí či lidské zdraví. Dekontaminace, likvidace zničené aktivní zóny a odvoz radioaktivního materiálu z elektrárny byly dokončeny v roce 1990. S likvidace budovy zničeného druhého bloku se čeká až na skončení provozu prvního bloku, aby se využilo synergií spojených se společnou likvidací.

Havárie čtvrtého bloku Černobylské jaderné elektrárny v roce 1986 byla největší katastrovou v jaderné energetice. Byla způsobena flagrantním porušením bezpečnostních pravidel směnou, která prováděla experiment s využitím doběhu turbíny. Přispěly k ní i z bezpečnostního hlediska nevhodná řešení některých prvků reaktoru RBMK a utajování okolo tohoto modelu vyvinutého z původně vojenského reaktoru. Tyto bloky navíc nemají kontejnment. Následkem byla nejhorší událost, která může v jaderné energetice nastat. Roztavená aktivní zóna a její části se dostaly do otevřeného prostoru. Požár, který vznikl, likvidovali hasiči, kteří nevěděli o míře katastrofy. I to byl důvod, proč téměř 50 pracovníků zahynulo následkem nemoci z ozáření. Evakuace probíhala až v době největších úniků radioaktivity. Zároveň se nepodařilo z ekonomických i politických důvodů zabránit proniknutí radioaktivního jódu do potravinového řetězce. Další oběti, které tak lze přímo přisoudit havárii je 14 úmrtí na rakovinu štítné žlázy, které nastaly do současné doby. Celkový počet rakoviny štítné žlázy, který lze dominantně přisoudit vlivu radiace, je do současnosti téměř 7000. Naštěstí ji lze poměrně dobře léčit. Jediným dalším zdravotním dopadem, který byl prokázán v epidemiologických studiích, bylo slabé zvýšení pravděpodobnosti leukémie u likvidátorů, kteří se přímo podíleli na likvidaci následků havárie. Pokud tedy existují odhady počtu úmrtí, jde o odhady využívající extrapolace závislosti zvýšení pravděpodobnosti onemocnění (zvláště rakoviny) na obdržené dávce do oblasti nízkých a velmi nízkých dávek. Při využití a extrapolaci této závislosti ze známé studie BEAR VII, jsou odhady pro takto postižené obyvatele, tedy likvidátory, evakuované a obyvatelé zasažených území, kterých je zhruba 7 milionů, mezi 6 000 až 20 000 úmrtí na rakovinu pro postiženou generaci. Normálních případů rakoviny je u takto početné skupiny zhruba 1 700 000.

Nedávno se dokončilo zamrazování ledové stěny, která zabraňuje pronikání spodní vody do kontaminovaného okolí zničených reaktorů ve Fukušimě I (zdroj TEPCO).

V likvidaci následků havárie nastal klíčový zlom v letech 2016 a 2017. Dokončil se nový sarkofág, který hermeticky uzavřel starý sarkofág a zničený blok. Odstranilo se tak riziko úniku radioaktivity ze zničeného reaktoru. Lze tak otevřít doposud uzavřená území. Z největší části bude národní park, který byl vyhlášen právě v dubnu 2016 k třicátému výročí havárie (podrobněji zde a zde). Táto část Ukrajiny byla již před havárií velmi řídce osídlená a příroda zůstala nedotčená. Po odchodu lidí následkem havárie se příroda rozvíjela bez zásahů člověka a došlo k nárůstu populace nejen velkých savců, jako jsou zubři, losové, koně převalského, vlci či lišky. Zvláště ekologové prosazují pokračování omezení vstupu do této části evakuované zóny. Krásná nedotčená příroda bude atraktivní nejen pro biology, ale i pro turisty. V menší části v blízkosti elektrárny se buduje průmyslová zóna. Zatím se zde dokončuje suchý mezisklad pro vyhořelé palivo z ukrajinských jaderných elektráren. Začalo se také s první částí velké fotovoltaické elektrárny, jejíž výkon by měl být v řádu jednotek gigawattů. Zde se využije již vybudované vedení, které přepravovalo elektřinu z jaderných bloků. V dalších částech budou památníky na tuto průmyslovou katastrofu a její oběti. Půjde nejspíše o část města Pripjať a některé budovy elektrárny. Samotná likvidace starého sarkofágu a hlavně zničeného reaktoru bude trvat desetiletí, ale revitalizace postižených území už se rozbíhá.

Na rozsahu následků havárie v jaderné elektrárně Fukušima I se také podílela lidská pochybení, ale vyvolala ji jedna z největších přírodních katastrof, která lidstvo zasáhla. Zemětřesení elektrárna vydržela bez následků, katastrofu způsobila až vlna cunami. Havárie elektrárny neměla žádné přímé oběti, cunami naopak usmrtila v pobřežních oblastech téměř 20 tisíc lidí. Únik radioaktivity byl sice značný, ale díky kontejnmentům byl omezený a proběhl v době, kdy už byla dokončena evakuace okolních území. Bylo možné provést všechna potřebná opatření, aby se nedostala do potravinového řetězce a neohrozila obyvatelé. Zdravotní dopady havárie tak budou zanedbatelné, což potvrzují všechny prováděné epidemiologické studie. Kromě těch nejsilněji kontaminovaných území v přímém okolí elektrárny se už podařilo zasažené a evakuované oblasti dostatečně vyčistit a bylo možné je otevřít pro návrat lidí. Většina evakuovaných obyvatel se tak mohla vrátit. V současné době probíhá intenzivní dekontaminace zmíněných silně kontaminovaných území a k jejich otevření by mělo dojít v roce 2021.

Budování nové horní části zničeného třetího bloku v elektrárně Fukušima I, po instalaci jeřábů bude možné vyvézt bazén pro vyhořelé palivo (zdroj TEPCO).

V samotné elektrárně došlo při havárii ke zničení a tavení aktivních zón tří reaktorů a výbuchem vodíku, který se do něj dostal ze třetího bloku, byl zničen i čtvrtý blok, který měl v té době aktivní zónu prázdnou. Do roku 2017 se už podařilo vyvézt palivové soubory z bazénu zmíněného čtvrtého bloku. V pokročilém stavu jsou práce na vyvezení bazénů prvního, druhého a třetího bloku. Předpokládá se, že se všechny vyprázdní do roku 2022. Podařilo se vyčistit všechnu kontaminovanou vodu, která se nahromadila, od všech radionuklidů kromě tritia. Těžký vodík totiž nelze chemicky z vody oddělit. Nyní je téměř 600 tisíc tun vody uloženo ve svařovaných nádržích. Celková dostupná kapacita je až 900 tisíc tun. Tritium je přirozenou součástí životního prostředí, vzniká interakcí kosmického záření v atmosféře. V principu by se tak nádrže při dostatečném zředění daly bez ekologických dopadů vypustit do moře. To však je jen velmi těžko akceptovatelné pro rybáře, proto se uvažuje o separaci tritia. Ta by však byla velmi nákladná. Konečné řešení otázky kontaminované vody se čeká v nejbližších letech. Do nitra kontejnmentů tří zničených bloků se už nahlédlo endoskopy, u všech se pomocí kosmických mionů zjistilo, že jejich aktivní zóny byly z velké části roztaveny. Podívaly se do nich také roboty. Třetí zkoumal podvodní robot a podařilo se mu najít zbytky ztuhlé taveniny z paliva. V nejbližších letech by se měl prozkoumat jejich stav, ale úplná likvidace zbytků roztaveného paliva bude trvat řadu desetiletí. Podrobný rozbor průběhu havárie ve Fukušimě I, jejich následků a likvidace dopadů lze najít v knize Fukušima I poté, v cyklu článku na Oslovi (jeho poslední část je zde) a přednášce.

Je jasné, že sociální a ekonomické dopady havárií v Černobylu a Fukušimě byly velké a drasticky zasáhly do života velkého počtu lidí. Popsané tři havárie zná téměř každý, naopak řadu protržení přehrad, které měly daleko více obětí, si nepamatuje téměř nikdo. A ještě více to platí pro důlní katastrofy nebo exploze ropovodů či plynovodů. Reálné statistiky, které porovnávají oběti a škody na jednotku výroby pro jednotlivé zdroje energie, ukazují, že ty jaderné patří mezi ty nejbezpečnější. Daleko větší následky a větší počty obětí mají i sociální a ekonomické kolapsy, které způsobuje nedostatek nebo vysoká cena energie. Je však třeba také připomenout, že i na základě zkušeností ze zmíněných tří havárií se u fungujících i nově stavěných bloků dramaticky zvýšila jejich bezpečnost. Zvláště reaktory III+ generace jsou tak velmi bezpečné a s extrémně nízkým rizikem havárie.

Maďarsko získává okolo 50 % elektřiny z jádra i díky modernizaci čtyř bloků VVER440 v jaderné elektrárně Paks. Na obrázku jsou nové turbíny (zdroj Alstom).

Současný stav jaderné energetiky

V současné době mají nejvíce jaderných energetických reaktorů Spojené státy, celkem 99. Ovšem z jádra vyrábí pouze zhruba 20 % elektřiny. Druhá v pořadí je Francie, která má 58 reaktorů, z nichž však získává přes 70 % elektřiny. Okolo 50 % elektřiny z jádra a více produkují v současné době ještě Belgie, Maďarsko, Slovensko a Ukrajina. V Evropě dodávají jaderné bloky zhruba čtvrtinu elektřiny. Zatímco v sedmdesátých a osmdesátých letech celkový výkon jaderných elektráren i výroba elektřiny z jádra rychle rostly, už koncem osmdesátých let se růst zpomalil a od konce devadesátých let probíhá stagnace. Velká část růstu výroby pochází ze zlepšování parametrů již existujících bloků. Maximum výroby elektřiny nastalo v roce 2006 na úrovni 2658 TWh. V roce 2011 a 2012 nastal propad způsobený vypnutím japonských bloků po Fukušimě a také rychlým odstavením části německých reaktorů. Částečně byl tento propad kompenzován dokončením nových bloků v Číně. V posledních dvou letech se také začaly do provozu vracet některé japonské reaktory. Pokud by začaly fungovat i zbývající japonské bloky, tak už by nyní bylo překročeno zmíněné maximum z před více než deseti léty. Lze tak předpokládat, že v následujících několika letech se světová jaderná energetika přes tuto výrobu dostane.

Zatímco v Číně, Indii, Rusku a některých dalších státech se pomalu rozbíhá renesance výstavby jaderných zdrojů, v Evropě a Americe probíhá stagnace. V roce 2014 se spustilo pět bloků, z toho čtyři v Číně, v roce 2015 deset bloků, z nich osm v Číně a v roce 2016 opět deset bloků a pět z nich bylo čínských.

Rusko zahájilo stavbu třetího a čtvrtého bloku v indické elektrárně Kudankulam (zdroj Rosatom).

V Evropě se staví jen pár bloků. Kromě zmíněných reaktorů EPR ve Finsku a Francii jsou to dva bloky VVER440 ve slovenských Mochovcích. U těchto projektů se však pozoruje řada problémů a zdržení. Ukazuje se, že Evropa ztrácí schopnost efektivní realizace takových staveb. Připravuji se staveniště v maďarském Paksi, finském Hanhikivi a britském Hinkley Point C, které ukáží, jak na tom Evropa se schopnostmi realizovat jaderné bloky je. Reálné budování v Paksu začne v lednu 2018. O některých dalších se třeba i v Česku uvažuje. V současné době je však hlavní starostí péče o stárnoucí flotilu evropských jaderných elektráren. Původní licence reaktorů byly většinou na třicet let. Ukazuje se však, že při odpovídající péči a vylepšování je lze bezpečně provozovat čtyřicet, padesát, ba i šedesát let.

Čína a Jižní Korea ukazují, že dokáží realizovat výstavbu jaderných bloků sériově do šesti i pěti let. K takovému stavu se blíží i Rusko. Zároveň firmy těchto států nabízejí podobně efektivní výstavbu i v zahraničí.

Nejen v Německu se ukázalo, jak silně jadernou energetiku ovlivňuje politika a ideologie. Německé jaderné reaktory byly velice úspěšné, efektivní a bezpečné. To se týkalo i firem, které je stavěly. Přesto bylo učiněno politické rozhodnutí v Německu využívání jádra ukončit. Podobná situace v současné době hrozí v Jižní Koreji. Nově zvolený prezident Jižní Koreje rozhodl o postupném ukončení využívání jádra v této zemi. Následně byly pozastaveny přípravy výstavby bloků Sin Hanul 3 a 4. Zároveň se také urychlila příprava na již plánované odstavení nejstaršího korejského jaderného reaktoru Kori 1, který se tak zastavil 19. června 2017. Velký otazník se také vznáší na pokračování stavby bloků Sin Kori 5 a 6. Nové vedení této země chce také snížit využívání uhlí a dominantně se spoléhat na dovážený plyn a obnovitelné zdroje. Podmínky pro ně jsou však zde značně omezené, takže je otevřenou otázkou, jaký bude mít tato nová energetická politika vliv na tuto průmyslovou exportní zemi bez vlastních energetických zdrojů.

Na budování fúzního reaktoru ITER se intenzivně pracuje a výsledky jsou vidět (zdroj ITER).

Jak s fúzí?

Cesta k energetickému využití fúze je stále ještě dlouhá. Zařízení ITER budované ve francouzském Cadarache by mělo ukázat možnost uvolňovat násobky energie vůči té, která je potřebná na ohřev plazmatu. Zde však zatím nepůjde o elektrárnu. Jde o tokamak, který dokáže udržet pomocí silného magnetického pole extrémně horké plazma a umožní intenzivní průběh fúze těžkých izotopů vodíku deuteria a tritia. Bude se zde studovat dlouhodobé udržení plazmatu, jeho vlastnosti a průběh slučování. Důležitým úkolem je také testování materiálů komory, diagnostických zařízení i probíhajících reakcí. Jedná se o největší vědecký projekt a současné odhady jeho ceny jsou okolo 20 miliard euro. Předpokládá se, že první plazma v zařízení vznikne v roce 2025 a fúzní experimenty začnou pravděpodobně až po roce 2030.

První demonstrační elektrárnou bude až zařízení DEMO, při jehož konstrukci se využijí zkušenosti získané při provozu tokamaku ITER. Zde už se bude demonstrovat i produkce paliva, kterým je radioaktivní tritium. To bude vznikat v plášti okolo fúzní komory, který bude vyplněn lithiem. Reakcí neutronu s tímto jádrem vzniká tritium. DEMO už bude mít i turbínu a bude produkovat elektřinu. Před zahájením projektu je však potřeba získat dostatek zkušeností při práci na tokamaku ITER. Nelze tak očekávat, že by se DEMO začal stavět před rokem 2030, nejspíše však až v pozdních třicátých letech.

Teprve na základě tokamaku DEMO se budou připravovat konkrétní projekty komerčních fúzních elektráren. Je tak jasné, že do komerční energetiky zasáhnou nejdříve v druhé polovině tohoto století. A v každém případě půjde o velké bloky s výkonem v řádu tisíce megawattů.

Mezi štěpnou a fúzní energetikou je celá řada synergií. Ve fúzních reaktorech vznikají také velmi intenzivní pole neutronů a jsou pro ně velmi důležitá data o interakci neutronů s řadou konstrukčních materiálů a vývoj hmot odolných proti radiaci a extrémním teplotám. Firmy, které v současné době dodávají komponenty pro štěpné reaktory, budou těmi, které se budou podílet i na konstrukci elektráren fúzních. Je tak jasné, že země s rozvinutou štěpnou jadernou energetikou budou mít náskok a vhodné podmínky pro rozvoj energetiky fúzní.

Jaderná elektrárna Temelín má dva bloky VVER1000 (zdroj ČEZ).

Jak v České republice?

Česká republika má v rozvoji a využívání jaderné energetiky velmi dlouhou a úspěšnou tradici. Má dostatečné vzdělanostní a technické zázemí, které se vytvářelo v poválečném Československu. Má potřebné výzkumné zázemí soustředěné hlavně v areálu v Řeži, kde jsou dva výzkumné reaktory a urychlovače s instalovanými neutronovými zdroji. Zde jde hlavně o organizace ÚJV a.s., Centrum výzkumu Řež s.r.o. a Ústav jaderné fyziky AV ČR. Ústav fyziky plazmatu AV ČR provozuje velký výzkumný tokamak COMPASS, který je stejného typu jako ITER. Vysokoškolské vzdělávání je spojeno hlavně s Fakultou jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT, ale i dalšími technickými školami. Zmíněná fakulta má výzkumný reaktor VR-1 Vrabec a tokamak Golem. Řada průmyslových podniků je zapojena do výroby komponent jaderných technologií. Jmenujme alespoň několik: ŠKODA jaderné strojírenství, MODŘANY power a.s., ŠKODA Praha, Vítkovice, a.s. a řada dalších. I když je třeba připomenout, že některé z těchto firem mají v posledních letech dost velké problémy.

První československou jadernou elektrárnou byl demonstrační těžkovodní reaktor chlazený oxidem uhličitým A-1 v Jaslovských Bohunicích na Slovensku. Zde se následně vybudovaly v letech 1980 až 1985 čtyři ruské tlakovodní bloky VVER-440. V současné době jsou v Česku dvě jaderné elektrárny, v Dukovanech jsou čtyři reaktory VVER-440 a v Temelíně pak dva reaktory VVER-1000. V obou elektrárnách se postupnými vylepšeními zvýšil výkon jednotlivých bloků. V Dukovanech mají hrubý výkon 510 MWe, tedy dohromady 2040 MWe a v Temelíně 1055 MWe, dohromady 2110 MWe. Celkově tak máme v jádře 4150 MWe. Jádro dodává zhruba 35 % vyrobené elektřiny, ale přesná čísla závisí na konkrétní situaci v daném roce.

Jaderná elektrárna Dukovany s vyrovnávací nádrží Mohelno (zdroj ČEZ).

Palivo pro tyto jaderné bloky je v současnosti odebíráno od ruské firmy TVEL, ale zkoušelo se i palivo pro bloky VVER-1000 od firmy Westinghouse. V současné době umí švédská pobočka této firmy vyrábět i palivové soubory pro reaktory VVER-440. Je tak zaručena diversifikace dodavatelů paliva. Navíc je objem a hmotnost potřebných palivových souborů natolik malý, že není problém je dopravit odkudkoliv a zároveň je možné uskladnit zásoby paliva na řadu let, v principu na celou dobu životnosti elektrárny.

Suché mezisklady pro vyhořelé palivo uložené v kontejnerech typu Castor jsou schopny pojmout jeho objem odpovídající celé potenciální životnosti elektráren. Místo pro trvalé úložiště vyhořelého paliva se zatím ještě vybírá. Dá se předpokládat přepracování vyhořelého paliva a jeho využití buď v klasických reaktorech v podobě paliva MOX nebo v pokročilých budoucích jaderných reaktorech IV. generace. V každém případě potrvá řadu desetiletí, než bude potřeba uložit jaderný odpad do trvalého podzemního úložiště.

Jaké reaktory, kde a jak budovat?

Česká republika má omezené možnosti pro cestu k nízkoemisní energetice. Jaderné zdroje tvoří její dominantní část a mají i největší potenciál. Dukovany už mají polovinu životnosti za sebou a je potřeba vytvářet podmínky pro jejich náhradu. Současný předpoklad je, že budou fungovat zhruba do roku 2035. Příprava výstavby nových bloku je časově náročná, navíc nelze dobu potřebnou pro splnění všech formálních podmínek pro posouzení a schválení stavby přesně odhadnout. Pokud máme mít nové bloky k dispozici před uzavřením Dukovan, je potřeba reálnou přípravu výstavby zahájit co nejdříve.

Reaktorová hala třetího bloku elektrárny Mochovce v roce 2016 (zdroj Mochovce).

Nejlépe připraveny jsou podmínky pro výstavbu dvou bloků v Temelíně. Tyto bloky zde byly plánovány už na začátku a vše je pro ně přichystáno. S největší pravděpodobností se však začne s budováním jednoho bloku v Dukovanech a jednoho v Temelíně. Důvodem je, že je potřeba začít s náhradou původních bloků ve starší z elektráren.

Včasné zahájení přípravy potřebuje dvě důležitá rozhodnutí. Prvním je řešení způsobu financování a druhým je výběr bloků, které se budou stavět. Rozhodnutí o tom, který reaktor se bude stavět, je podřízeno několika základním požadavkům. Musí jít o reaktor III. generace. Důležité je, aby reaktor byl již někde v provozu a byly pozitivní zkušenosti z jeho výstavby. Důležitým parametrem je určitě i míra možné účasti českých firem při budování použitého modelu reaktoru.

Nejmodernější bloky VVER1000 už mají řadu prvků reaktorů III. generace. Tyto modely se nejnověji dokončují v čínské elektrárně Tchien-wan (zdroj Rosatom).

Podívejme, co lze o tomto výběru říci na základě předchozího přehledu současném stavu jaderné energetiky. Jak bylo zmíněno, jsou v současné době v provozu pouze tři reaktory třetí generace. Japonský reaktor ABWR je varného typu, který se u nás zatím nevyužíval. Zároveň jsou všechny tyto reaktory v Japonsku odstavené. Jihokorejský blok APR-1400 má výkon 1400 MWe, což je pro naše účely, hlavně v areálu Dukovan příliš velká hodnota. V nejbližších letech budou bloky v provozu v Jižní Koreji i v zahraničí, což je velmi pozitivní. Na druhé straně je otázka, jak se dívat na nákup bloků od země, která se rozhodla od využívání jádra odstoupit a u sebe už další tyto bloky budovat nebude.

Zůstává tak ruský reaktor VVER1200, který v nejbližších letech bude běžet jak v Rusku, tak v zahraničí. Firma, která jej nabízí, staví reaktory kontinuálně a poměrně velmi úspěšně. S reaktory VVER máme velice dobré zkušenosti a řada českých firem se podílí na výrobě jejich komponent a výstavbě těchto elektráren. Tyto reaktory se brzy budou budovat v našem sousedství v Maďarsku a také ve Finsku. I na těchto stavbách by se měly podílet české firmy a budeme moci sledovat průběh výstavby.

V nejbližší době by se do provozu měly dostat i další reaktory III+ generace. Jde o reaktor AP1000. Firma Westinghouse a s ním i Toshiba mají však velké finanční problémy a je otázka, jestli se vůbec do budování dalších těchto reaktorů pustí. Řada negativních zkušeností je i z budování těchto bloků v USA. I když zde jde hlavně o neschopnost amerických stavebních a inženýrských firem, které ztratily za čtvrtstoletí přestávky v budování jaderných bloků kontinuitu a zkušeností. Je sice možné, že by se pro nabízení těchto bloků rozhodla Čína, kde se již brzy čtyři spustí, ale není to moc pravděpodobné. Čína se možná zaměří na nabídku svého modelu Hualong One. Ten je však ještě několik let před dokončením.

Pro jadernou elektrárnu Forsmark dodala Škoda JS mříž a plášť aktivní zóny varného reaktoru (zdroj Škoda JS).

Bloky EPR jsou podobně jako APR-1400 příliš velké a do značné míry je diskvalifikují i negativní zkušenosti z výstavby ve Finsku a Francii. Je sice pravda, že je vysoce pravděpodobné, že po roce 2018 poběží již ve třech zemích, ale přesto není pro naše účely příliš vhodný.

Jak je vidět, zůstává pro případnou soutěž o nové reaktory u nás jediný kandidát, který nemá zásadní problémy. Jde o ruský reaktor VVER1200. Ať se však v budoucnu výběr uskuteční s jakýmkoliv výsledkem, ukazuje se, že jedním z klíčových momentů pro úspěch výstavby jaderných bloků v dané zemi jsou schopnosti stavebních a inženýrských firem, které jsou hlavními dodavateli. To ukazuje, co je třeba podporovat u nás v každém případě. Je nutné, aby se české vědecké instituce podílely na výzkumu v oblasti štěpení a fúze a české firmy se co nejintenzivněji podílely na dodávce komponent a samostatné výstavě jaderných bloků jak v Evropě, tak ve světě. To se zatím daří. A je nutné, aby si tuto schopnost zachovaly.

V současné době ukazují ruské, korejské a čínské firmy, že lze bloky stavět i za šest let. Ovšem zkušenosti z Evropy a USA jsou zatím jiné. Navíc se v Evropě extrémně zvýšily byrokratické překážky pro stavbu libovolného většího energetického zdroje. A u jaderných bloků je pochopitelně situace v tomto směru nejnáročnější. Příprava před zahájením stavby tak trvá léta. Pokud tedy chceme splnit cíle v aktualizaci státní energetické koncepce, tedy včas připravit náhradu bloků v Dukovanech, kterým by měla končit životnost kolem roku 2035, a alespoň část uhelných bloků nahradit jádrem, je potřeba co nejrychleji rozhodnout o způsobu realizace stavby reaktorů v Dukovanech a Temelíně a k budování prvních z nich reálně přikročit.

Poznámka

Článek je druhý z cyklu, který bude rozebírat možnosti jednotlivých energetických zdrojů u nás, a jehož cílem je iniciovat diskuzi o budoucím rozvoji české elektroenergetiky a jeho úskalích i možnostech. Hlavně v souvislosti s tím, že od poslední aktualizace energetické koncepce uplynulo již pár let a v oblasti energetiky se u nás reálně nic moc neudělalo. Zároveň se objevuje řada rizik a tak je velmi důležité udělat si přehled o vývoji a stavu energetiky ve světě i u nás. První část věnovaná větrné energii je zde.