Jaderné zbraně patří k těm nejničivějším. Jeden z testů provedených v nevadské poušti (zdroj atomicarchive.com)

V současné době vyvstala opět kritická nezbytnost řešení dvou základních otázek, před kterými stál Robert Oppenheimer a jeho současníci. Z tohoto pohledu byl film Oppenheimer, který jsem rozebíral v dřívějším článku, extrémně aktuální. Obě klíčová témata souvisí s jadernou energií a jadernými technologiemi.

První je spojená s jadernými zbraněmi, které jsou prvními, které jsou v principu schopny zničit úplně lidskou společnost a ohrozit obecně existenci lidstva. V tomto případě spočívá výzva v tom, jak zajistit přežití lidské civilizace ve stínu jaderných zbraní.

Druhá otázka je spojena s tím, že udržitelný rozvoj současné společnosti, zajištění odpovídající životní úrovně a zvyšování úrovně vědy i technologií nelze bez dostatečných zdrojů energie. A demokracie v našem pojetí nemůže být bez toho, aby se jí účastnili všichni členové společnosti a měli k tomu zajištěny odpovídající podmínky, a to nelze bez dostatku energie. Už v době Roberta Oppenheimera se ukazovalo, že mírové využití jaderné energie by v této oblasti mohlo být klíčové. V současné době, kdy je třeba řešit i možnost dopadů emisí oxidu uhličitého na klima, je i toto téma pro přežití naší civilizace rozhodující.

Jaderná bomba – zbraň posledního soudu

Téměř současně s objevem štěpení uranu, a hlavně s objevem štěpné řetězové reakce v letech 1938 a 1939 bylo fyzikům jasné, že lze pomocí jaderných reakcí získat extrémně účinnou a silnou bombu. Je to dáno zásadním rozdílem mezi intenzitou elektromagnetické interakce, která je zodpovědná za chemické reakce a silnou jadernou interakcí, která stojí za reakcemi jadernými. V jaderných reakcích tak lze uvolňovat až o šest i sedm řádů více energie na jednotku hmotnosti než u reakcí chemických.

Robert Oppenheimer a generál Leslie Groves na místě, kde proběhl první test jaderné zbraně (zdroj atomicarchive.com)

Vědcům tak bylo jasné, že lze získat extrémně účinnou zbraň, která by mohla rozhodnout válku, která v té době začínala. Bylo jim jasné, že pro záchranu demokracie je potřeba udělat vše pro to, aby nemělo fašistické Německo jadernou bombu dříve. I to bylo důvodem, že se celá řada amerických fyziků, a zvláště těch, kteří před Hitlerem utekli z Evropy, zasazovala o rychlý vývoj jaderné bomby v USA.

Amerika tak do vývoje jaderné bomby zapojila obrovský lidský, technologický i ekonomický potenciál. Zároveň měla velké štěstí na výběr klíčových manažerů projektu Manhattan, vojenské velení měl generál Leslie Groves a vědeckým ředitelem projektu a ředitelem Los Alamos byl Robert Oppenheimer. Právě i díky Oppenheimerovi se podařilo shromáždit na projektu Manhattan velký počet špičkových fyziků, chemiků a techniků. Přitom celá řada z nich, jako například Richard Feynman, byla velmi mladá.

Už na začátku vývoje jaderné bomby bylo zřejmé, že v tomto případě i jedna bomba dokáže zničit velké město a nejen. Může ohrozit samu existenci naší civilizace. A jde tak spíše o odstrašující strategický nástroj než o taktickou zbraň pro vedení války, něco jako zbraň posledního soudu. Než se podíváme podrobněji na dopady vlastnictví této zbraně a možnosti jejího šíření, připomeňme si ve zkratce, co je třeba řešit a realizovat pro získání funkční jaderné zbraně.

Co je potřeba řešit při konstrukci jaderné zbraně?

Jak už bylo zmíněno, po objevu štěpení uranu, uvolňování neutronů při něm a možnosti štěpné řetězové reakce se otevřela možnost realizace štěpné jaderné bomby. A kritický byl právě objev uvolňování neutronů ve štěpení, jak je popsáno v článku pro Vesmír. I po tomto objevu však bylo potřeba překonat řadu překážek při cestě k fungující konstrukci takové zbraně.

Tým fyziků, kteří pod vedením Enrica Fermiho postavili první jaderný reaktor. Nejmladším členem byla i jediná žena ve skupině Leona W. Marshallová (zdroj atomicarchive.com).

První výzva vzniká tím, že je potřeba mít dostatečný objem (hmotnost) štěpného materiálu. Ta pochopitelně závisí na tvaru a konstrukci štěpné zóny. Nejmenší hmotnost je v případě kulového tvaru, který snižuje únik neutronů ze zóny. Únik neutronů a tím i kritickou hmotnost dále sníží i vrstva beryllia okolo koule štěpného materiálu, která působí jako zrcadlo (reflektor) a odráží neutrony zpět do kritické zóny.

Ke štěpení těžkého jádra je potřeba energie, a to dostatečně velká. Ta se v tomto případě získává záchytem neutronu a uvolněním jeho vazebné energie. V jádře, které je složeno z protonů a neutronů (společně označované jako nukleony) je jejich vazebná energie vyšší, pokud máme dvojici stejných nukleonů. Při záchytu neutronu je tak uvolněná energie vyšší, pokud byl původně lichý počet neutronů a stane se sudým. Taková jádra může rozštěpit i neutron s nízkou energií pouze uvolněnou vazebnou energií při jeho záchytu v jádře. Štěpnými materiály tak jsou velmi těžká jádra s lichým počtem neutronů.

A takové vhodné jádro je v přírodě pouze jedno, a to izotop uranu ²³⁵U. Vyskytuje se však bohužel společně s izotopem uranu ²³⁸U, který má sudý počet neutronů a není štěpný. Navíc má uran 238 poločas rozpadu téměř 5 miliard let, u uranu 235 je pouze 0,7 miliardy. To způsobuje, že je nyní v uranové rudě podíl uranu 235 pouhých 0,7 procenta. Různé izotopy stejného prvku nelze oddělovat chemicky a fyzikální metody jsou poměrně náročné. Zvláště, když zbraňový uran vyžaduje obohacení i vysoce přesahující 90 %.

Jaderná bomba Gadget použitá při prvním testu. Spolu s ní je Nirris Bradbury, který byl vedoucím skupiny zodpovědné za sestavování bomby (zdroj atomicarchive.com).

Druhou možností je přeměna velmi těžkého jádra se sudým počtem neutronů v jaderných reakcích na jádra s lichým počtem neutronů. Jedinými vhodnými jádry pro takovou přeměnu, které se vyskytují v přírodě, jsou zmíněný uran 238 a thorium 232. Potřebnými reakcemi, kterými lze získat jádra s lichým počtem neutronů s dostatečně dlouhým poločasem rozpadu, jsou záchyt neutronu a dva následné rozpady beta. K tomu je však potřeba mít jaderný reaktor se specifickými vlastnostmi.

Z uranu 238 vzniká po záchytu neutronu uran 239, který se dvěma rozpady beta přemění na plutonium 239, které má lichý počet neutronů a poločas rozpadu 24 tisíc let. V případě thoria 232 vzniká záchytem neutronu thorium 233 a z něho dvěma rozpady beta uran 233 s lichým počtem neutronů a poločas rozpadu 159 tisíc roků.

Reaktor potřebuje vysoké toky neutronů a možnost průběžné výměny paliva. Je třeba zabránit realizaci dvojitého záchytu neutronů a vzniku dalších izotopů plutonia (v případě využití uranu 238) nebo uranu (v případě využití thoria 232), které by se nedaly chemicky oddělit.

V reaktoru vzniká záchytem neutronů a následnými rozpady beta celá řada dalších transuranů, které však mají krátký poločas rozpadu, což vede k vysoké aktivitě. I když tak mají některé z nich lichý počet neutronů, další vhodné parametry i přece jen delší poločas rozpadu, je třeba při jejich využití pro přípravu štěpné jaderné bomby počítat s vysokou radioaktivitou.

Bomba Little Boy byla uranová (zdroj atomicarchive.com).

Kritické množství u kulové štěpné zóny z uranu 235 je zhruba 44 kg, při využití zrcadla je to 15 kg, pro plutonium 239 je to zhruba 15 kg a při využití zrcadla pak 5 kg, pro uran 233 je to podobné, bez zrcadla je potřeba 17 kg a s ním zhruba 6 kg. Velmi malé je kritické množství pro izotop kalifornia ²⁴⁹Cf, je to pouhých zhruba 5,3 g. Ovšem poločas rozpadu je 351 let a s tím je spojena i relativně vysoká aktivita. Jeho získávání je navíc daleko složitější.

Připomeňme, že reálně se zatím pro výrobu jaderných zbraní využívají pouze uran 235 a plutonium 239. V případě uranu 235 musíme realizovat jeho velmi vysoké obohacení z přírodní směsi s nízkým obohacením uranem 235. Pro získání plutonia 239 je potřebujeme vytvořit v jaderném reaktoru a poté chemicky vyseparovat. Konkrétní přesné potřebné množství štěpného materiálu pak závisí na reálné geometrii štěpné zóny, čistoty štěpného materiálu a konkrétní konstrukci štěpné jaderné bomby.

Pokud máme dostatek štěpného materiálu, musíme řešit druhou výzvu, jak podkritická množství spojit nebo přeměnit při iniciaci štěpné jaderné bomby do kritického. Tento proces musí proběhnout dostatečně rychle a musí se dostatečnou dobu udržet kritická zóna. Pokud se podkritická množství spojí do kritického pomalu, dojde pouze k slabému průběhu štěpné řetězové reakce, materiál se rozprskne dříve, než se uvolní ve štěpení větší část energie. Dojde k ozáření okolí a kontaminaci, ale nedojde k jaderné explozi.

Pro tuto iniciaci se využívá klasická výbušnina. První možností je vstřelení jednoho podkritického množství do druhého. Nevýhodou metody iniciace pomocí vstřelení je to, že není symetrická, doba udržení štěpné řetězové reakce je kratší, jsou větší nároky na čistotu štěpného materiálu a je menší podíl využití štěpného materiálu. Druhý využívaný způsob iniciace je implozivní. Využívá se velký počet rovnoměrně symetricky rozmístěných výbušných čoček. Ty musí být vyrobeny a rozmístěny s maximální dosažitelnou přesností tak, aby se dosáhlo symetrické konvergentní rázové vlny a rovnoměrného stlačení soustavy. K současné synchronizované iniciaci náloží se využívají speciální přesně nastavené detonátory. Využití symetrické exploze klasické výbušniny vede k implozi, vytvoření symetrické rázové vlny, stlačení a dlouhému udržení štěpné zóny. V tomto případě právě stlačení vede k přeměně podkritické zóny v kritickou.

Jaderná bomba Fat Man byla plutoniová (zdroj atomicarchive.com).

Třetí výzvou je rychlá iniciace štěpné řetězové reakce ve správném okamžiku. V jaderné bombě se využívá štěpná řetězová reakce bez moderace neutronů. Její iniciace je tak náročnější, a kromě samovolného štěpení uranu či plutonia se tak přidává další zdroj neutronů. Ten bývá umístěn ve středu vytvářející se kritické zóny. Často jde o zdroj využívající reakci částice alfa s berylliem, která je intenzivním zdrojem neutronů. Jako zdroj alfa částic lze využít těžké jádro, například ²¹⁰Po, nebo některý z transuranů. Takové zdroje neutronů se využívají velmi intenzivně v praxi, například i pro start reaktorů, hlavně v případě čerstvého paliva. V době projektu Manhattan pochopitelně nebyly transurany k dispozici a využívalo se zmíněné ²¹⁰Po. Takový neutronový zdroj v normální situaci produkuje neutrony stále, v jaderné zbrani je však třeba, aby se spustil ve chvíli její iniciace. V případě prvních jaderných zbraní se to řešilo tím, že mezi polonium a beryllium se vložila zlatá fólie. Pro pohlcení alfa částic stačí jen velmi tenká vrstva. Krátce po iniciaci rázová dostředná vlna, vyvolaná výbuchem klasické výbušniny, dospěje do středu se štěpným materiálem. Ta tak dosáhne nadkritického stavu a dojde i ke stačení neutronového zdroje, umístěného v centrální sférické dutině, k proražení zlatého pokrytí a ke kontaktu polonia s berylliem. Vznikne tak velké množství neutronů a spustí se štěpná řetězová reakce.

Jadernou bombu dopravil nad Hirošimu bombardér Enola Gay (zdroj atomicarchive.com).

Čtvrtou výzvou je zpomalení exploze a udržení štěpné řetězové reakce po dostatečnou dobu, aby se stihla využít co největší část štěpného materiálu. Pro řešení tohoto problému se přidává okolo jádra se štěpným materiálem vrstva z materiálu z těžkých jader s vysokou hustotou. Anglicky se označuje jako tamper/pusher a svou setrvačností zpomalí rozpínání v první fázi exploze. Někdy je do něj přidána vrstva z vhodného materiálu, která působí jako zrcadlo neutronů. Vylepšením je, když je mezi štěpným jádrem a vrstvou tamper/pusher prázdný prostor. V tom případě při implozi nabere hmota vrstvy tamper/pusher vyšší rychlost a je efektivnější při udržení co nejdelší doby štěpné řetězové reakce.

Schéma termojaderné bomby využívající Teller-Ulamovu konfiguraci. Podobné schéma měla i první termojaderná bomba Ivy Mike. A) primární štěpná bomba, B) sekundární termojaderná bomba, 1) vysoce explozivní čočky využívající klasickou výbušninu, 2) vrstva uranu 238 sloužící jako tamper/pusher 3) prázdný prostor mezi vrstvou tamper/pusher a štěpným jádrem 4)štěpné jádro z uranu 235 nebo plutonia 239, uvnitř (modrá část) je směs tritia a deuteria pro produkci neutronů a zesílení toku neutronů a štěpné řetězové reakce 5) kanál kterým se vede rentgenové záření obklopující a zahřívající sekundární termojadernou bombu 6) vrstva pusher/tamper z uranu 7) fúzní palivo – deuterid lithný 8) plutoniové jádro – jeho řetězová štěpná reakce dodá teplo a neutrony 9) radiační pouzdro zabraňuje únik rentgenového záření (zdroj Wikipedia).

Pátá výzva, která je také velmi náročná, je i zajištění bezpečnosti jaderné bomby při přípravě, skladování, přepravě a dopravě na místo užití. Je třeba, aby bomba předčasně či neplánovaně neexplodovala. A to i v případě havárie ponorky, letadla, rakety nebo jiného zařízení, které slouží jako nosič jaderné zbraně. Musí tak odolat i velmi vysokým zrychlením, tlakům a teplotám. Zároveň je třeba počítat i s velmi dlouhodobým skladováním a je třeba zajistit i nemožnost odpálení jaderné bomby nepovolanou osobou. První bomby byly z tohoto hlediska velmi nebezpečné a zároveň musely být odpáleny velmi brzo po sestavení, možný čas byl nízké desítky hodin. Tyto problémy řeší moderní jaderné zbraně s využitím často velmi sofistikovaných metod.

Připomeňme, že konkrétní konstrukce moderních jaderných zbraní je tajná a není tak známo, jak se přesně u každé z nich realizuje řešení zmíněných pět výzev. Z popsaných principů jsou však základní vlastnosti možných řešení jasné.

U termojaderné bomby je situace ještě složitější

U termojaderné fúzní bomby je kritickou výzvou dosažení velmi vysoké teploty v řádech stovky milionů stupňů, což umožňuje právě štěpná jaderná bomba. Součástí termojaderné bomby je tak klasická výbušnina pro iniciaci a pak štěpná jaderná bomba. Zároveň tam musí být druhá termojaderná část s fúzním palivem.

Připomeňme, že se využívá fúzní reakce mezi deuteriem a tritiem, při které vzniká helium a neutron. Vznik neutronů ve fúzních reakcích lze využít pro štěpení dalšího štěpného materiálu a pomocí dalšího stupně bomby zvýšit tak celkovou sílu exploze.

První test termojaderné zbraně se realizoval v projektu Ivy Mike (zdroj atomicarchive.com).

Využití deuteria a tritia vede k významným problémům, které je třeba řešit. Jedná se o izotopy vodíku, který se, pokud není ve sloučenině, vyskytuje v normálních podmínkách v plynném stavu. Navíc je tritium radioaktivní s poločasem rozpadu 12,5 roku. Například v prvním americkém testu termojaderné bomby Ivy Mike se deuterium uchovávalo při velmi nízkých teplotách -250 ˚C v kapalném stavu. To však vedlo s dalšími aspekty tohoto testu k tomu, že celkové zařízení bomby bylo složité a těžké. Hodilo se tak na pozemní test, a ne pro reálnou termojadernou bombu.

Už v té době se uvažovalo o využití jiné formy uskladnění deuteria. V úvahu přicházely amoniak s obsahem deuteria ND₃ a deuterid lithný ⁶LiD. Výhodou využití deuteridu lithného je, že v reakcích neutronů s izotopem lithia 6 se produkuje tritium, které v termojaderné bombě potřebujeme. V době prací na Ivy Mike však neměly USA obohacené lithium, které by se dalo využít. Proto se použilo tekuté deuterium.

Na příkladu konstrukce Ivy Mike, který je jedním z nejznámějších, můžeme ukázat principy fungování termojaderné bomby. Všechny konstrukce byly umístěny v ocelovém válci se zaoblenými konci o délce 6,2 m a vnějším průměru 2 m. Primární štěpná část byla umístěna v horní části válce. Jednalo se o implozivní štěpnou bombu využívající 92 bodovou soustavu výbušných čoček. Ta sloužila k vytvoření vysoké teploty a tepelného rentgenového záření, které iniciuje sekundární termojadernou bombu. Ta měla dost komplikovanou strukturu. Skládala se z vnitřní části z plutonia, která byla obklopena vrstvou deuteria a tritiem. Vše toto bylo uzavřeno v uranovém obalu.

Exploze termojaderné bomby tak probíhala následujícím způsobem. Primární štěpná jaderná nálož svou explozí vytvořila intenzivní tok rentgenových paprsků, které byly radiačními kanály přivedeny na uranový obal (tamper/pusher) sekundární části a obklopily jej. Ten byl extrémně zahřát a odprášen, přičemž reaktivní síla tohoto odprášeného materiálu způsobila implozi vnitřních částí, tedy i deuteriové části a vnitřního jádra z plutonia. V jádře z plutonia se rozběhne štěpná řetězová reakce, která dodá neutrony potřebné při využití deuteridu lithného pro reakce, které z izotopu lithia 6 produkují tritium, a hlavně teplo pro vytvoření plazmatu a jeho ohřevu na teplotu potřebnou pro realizaci termojaderné fúze.

Stejně jako u štěpných jaderných zbraní i u termojaderných je přesná konkrétní konstrukce tajná a existuje více modifikací.

Shození nejsilnější testované jaderné zbraně Car-bomba (zdroj atomicarchive.com).

Strategické a taktické jaderné zbraně

Už první štěpné jaderné bomby, Gadget, Little Boy a Fat Man, měly sílu exploze ekvivalentní 10 až 30 ktun TNT (jedna tuna TNT odpovídá energii 4,184 GJ). Jedna taková bomba tak dokázala zničit i velké město. Po první úspěšné demonstraci funkčnosti a účinku jaderné zbraně Spojenými státy došlo k závodům v jaderném zbrojení. Nepodařilo se, jak si to třeba zpočátku představoval Robert Oppenheimer dospět mezi USA, SSSR a dalšími státy k dohodě, která by dala jaderné technologie pod mezinárodní kuratelu a tomuto závodu o co nejničivější jadernou zbraň zabránila. K této problematice se vrátíme podrobněji za chvíli.

V první fázi šlo o soutěž čistě mezi USA a Sovětským svazem. Štěpnou jadernou zbraň získal Sovětský svaz relativně velmi rychle i díky informacím o americkém výzkumu získaným špionáží. Jeho první bomba byla kopií americké plutoniové bomby Fat Man. Jeho vodíková bomba však už byla vlastní konstrukce, kterou vypracoval Andrej Sacharov. První termojaderná bomba Ivy Make měla sílu exploze ekvivalentní 10,4 Mtun TNT. Největší americká termojaderná bomba byla odpálena při testu Costa Bravo 1. března 1954. Její síla byla 15Mtun TNT.

Další posílení síly exploze lze u termojaderné zbraně docílit dalším stupněm, kterou je obálka z uranu 238. Využije se toho, že při fúzní reakci deuteria a tritia se uvolňují neutrony s relativně vysokou energií okolo 14 MeV, které dokáží štěpit i uran 238. Štěpná řetězová reakce ve zmíněné obálce pak posílí účinek zbraně. Mluvíme tak o třístupňové jaderné zbrani (štěpné-fúzní-štěpné). V případě většího podílu štěpení na explozi termojaderné bomby je i daleko větší radioaktivní kontaminace v okolí její exploze. Vůbec nejsilnější testovaná termojaderná bomba je známá pod označením car-bomba. Šlo o třístupňovou bombu, která měla mít podle původních propočtu sílu okolo 100 Mtun TNT. Její test proběhl 30. října 1961. Při něm však byl z obav před příliš ničivými následky uran 238 v třetím stupni nahrazen olovem. Reálná síla exploze upravené konfigurace tak byla nižší, dosáhla pouze něco mezi 50 – 58 Mtun TNT.

Testy jaderných zbraní realizovala i Francie. Test na atolu Fangataufa ve Francouzské Polynésii provedla Francie 3. července 1970 (zdroj atomicarchive.com).

Takové zbraně opravdu nepřinášejí žádné výhody při konkrétním vedení válečných operací. Jde o nástroj strategického odstrašení, který selhává v okamžiku, kdy se reálně použije. Říká to, že v případě použití jaderné zbraně proti mně, jsem schopen zničit protivníka jadernými zbraněmi také. V tomto případě je také klíčové, zda jsme schopni dopravit jaderné bomby na předpokládané cíle. Dopravními prostředky byly nejdříve letadla a v současné době to jsou rakety (balistické střely). Postupně se přešlo od extrémně silných bomb, pro které neexistovaly reálné cíle, k menším. V balistických střelách tak je více jaderných hlavic, které se na konci rozdělí a zasáhnou více cílů. Postupně vyprodukovaly Sovětský svaz a Spojené státy stovky jaderných hlavic a dnes jich má každá z těchto velmocí ve svých arsenálech okolo pěti tisíc. Ve funkčním stavu by jich mohlo být přes tisíc. Je jasné, že velká část je ve skladech, ale i to, co je na pozicích, ať už v podzemních silech nebo na palubách válečných ponorek, by v principu stačilo ke zničení naší civilizace. A to, i když značná část nepatří k jaderným zbraním strategickým, ale jde o hlavice taktické.

Vývoj taktických jaderných zbraní měl řešit otázku získání bomby, která by se dala využít v klasických vojenských operacích. Znamená to menší sílu bomby a také potlačení nebo zvýraznění některých jejich účinků. Může se například potlačit destrukční a tepelný účinek i produkce radionuklidů a zvýšit intenzitu vznikajícího neutronového pole jako je tomu u neutronové bomby nebo naopak destrukční účinek zvýšit a bombu přizpůsobit pro proniknuti do hloubky betonových konstrukcí a explozi v jejich nitru.

Dopady klasické jaderné bomby se realizují z 50 % v tlakové vlně, z 35 % tepelným zářením a pouze z 15 % ionizujícím zářením (hlavně neutronů, možná lépe záření s biologickým účinkem). U neutronové bomby se předpokládá 30 % v tlakové vlně, 20 % v tepelném záření a 50 % v ionizujícím záření. Jedná se o termojadernou bombu, ve které se u vrstvy tamper/pusher nahradí uran jiným materiálem, který je prostupný pro neutrony z fúze. Tyto neutrony s vysokou energií mají ve vzduchu značný dolet a značné biologické účinky. V případě neutronové bomby má termojaderná zbraň velmi omezenou výbušnou sílu, pouhé jednotky ktun TNT.

Jaderné zbraně vyvinula i otestovala i Čína (zdroj atomicarchive.com)

Postupně se zkonstruovala celá řada taktických jaderných zbraní, včetně dělostřeleckých granátů. Ve stejné době však pokračoval i vývoj klasických zbraní. Některé z nich mají obrovskou účinnost, jako třeba termobarické bomby. Jen velice těžko by se tak dala najít situace, ve které by nebyla taktická jaderná zbraň nahraditelná klasickým ekvivalentem.

Kontrola nešíření jaderných zbraní

Už během práce na projektu Manhattan se Robert Oppenheimer a jeho kolegové zabývali otázkou, jak zabránit tomu, aby jaderné zbraně zničili naši civilizaci. Představa Roberta Oppenheimera, jak zabránit závodu v jaderném zbrojení, spočívala ve vypracování mezinárodní smlouvy, která by dala jaderné technologie pod mezinárodní kuratelu. Oppenheimer si myslel, že se lze Sovětským svazem, který byl v té době spojencem USA proti nacistickému Německu, a dalšími státy dohodnout, že na jaderné zbraně bude dozírat mezinárodní organizace a státům, které se k dohodě připojí a zřeknou se vývoje jaderných zbraní, budou poskytnuty mírové jaderné technologie. Myslel si dokonce, že hrůzná destruktivní síla jaderných zbraní zabrání vzniku dalších válek.

I to byl důvod, proč byl Robert Oppenheimer, na rozdíl od Edwarda Tellera a Johna Archibalda Wheelera, proti vývoji termojaderné zbraně. Myslel si, že ještě více destruktivní zbraň, kterou ve válce nelze použít, nemá smysl. A pro strategické odstrašení pak stačí štěpná jaderná zbraň. Případná realizace ještě ničivější termojaderné bomby by pak ještě více ohrožovala existenci naší civilizace. Navíc si Robert Oppenheimer poměrně dlouho myslel, že koncept prosazovaný Tellerem nebude fungovat a termojaderná zbraň nebude ještě dlouho realizovatelná. Podrobněji o vztahu Oppenheimera a Wheelera jsem psal v intermezzu nedávného článku.

Symbolem zkázy Hirošimy a hrůzných následků exploze jaderné bomby je tato budova spojená s Československem (zdroj atomicarchive.com).

Poměrně velmi brzy se však ukázalo, že jeho představy byly naivní a uvažovaná dohoda o mezinárodní správě jaderných technologií mezi USA a Sovětským svazem, tedy státy, které byly v cestě k jadernému vyzbrojování nejdále, možná není. Závod v jaderném zbrojení hlavně mezi Sovětským svazem a USA se tak rozběhl. Velmi brzy se k němu připojily Velká Británie a Francie. V padesátých a šedesátých letech tak proběhl velký počet jaderných testů těchto jaderných mocností. Rostlo také riziko šíření jaderných zbraní do dalších zemí.

Zvyšovala se tak snaha o mezinárodní kontrolu jaderných technologií. Americký prezident Eisenhower na půdě OSN předložil 8. prosince 1953 program na omezení jaderného zbrojení a podporu mírového využití jaderné energie „Atoms for Peace“. V jeho rámci nabídly USA státům, které dosud nevlastnily jaderné technologie, pomoc při jejich mírovém využívání a předložily plán na mezinárodní kontrolu jaderných aktivit. Následně USA poskytly civilní jaderné technologie a podporu v jaderném výzkumu celé řadě států, celkově podepsaly okolo 40 smluv v této oblasti. Důležitým krokem pak bylo v roce 1954 založení mezinárodního Evropského centra pro jaderný výzkum, známého pod zkratkou CERN.

Československo bylo jedním ze zakládajících členů SÚJV Dubna. Čeští jaderní fyzici se na výzkumech v této instituci velmi intenzivně podíleli až do invaze Ruska na Ukrajinu, kdy SÚJV opustili. Jednou z velmi úspěšných oblastí výzkumu zde je studium supertěžkých prvků. Busta zakladatele tohoto výzkumu Georgije Fljorova je tak nedílnou součástí ústavu (zdroj autor).

K této iniciativě se připojil i Sovětský svaz, který poskytl mírové jaderné technologie východoevropským a středoevropským státům ve své sféře vlivu a řadě dalších států, jako Čína, Izrael a Severní Korea. Pomohl například i Československu, kde byl v roce 1955 založen Ústav jaderné fyziky v Řeži, který pomohl vybavit výzkumným jaderným reaktorem a cyklotronem pro urychlování částic. V roce 1956 pak po vzoru organizace CERN přeměnil dosud tajný sovětský jaderný ústav v Dubně u Moskvy na mezinárodní Spojený ústav jaderných výzkumů (SÚJV) Dubna. Československo bylo zakládajícím členem této organizace. Po invazí Ruska na Ukrajinu z ní však vystoupilo. Podrobněji jsem situaci při vystoupení popsal v článku pro časopis Vesmír.

Státy, které vlastnily jaderné zbraně, hlavně USA a SSSR, tak v letech 1954 a 1955 velmi intenzivně jednaly o možnostech dohody o regulaci jaderných výzkumů a technologií. Dospěly k rozhodnutí o zřízení mezinárodního orgánu a uspořádání velké mezinárodní konference o mírovém využití jaderné energie. Tato konference se uskutečnila v srpnu 1955 a zúčastnili se jí odborníci ze 73 zemí. V roce 1957 pak byla založena Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE), která se stala garantem mírového využití jaderné energie a Mezinárodního zárukového systému, který byl zaměřen na kontrolu jaderných materiálů a zabránění jejich vojenskému využití. Jeho činnost a pravomoci, hlavně v oblasti zárukového systému, se prosazovaly poměrně pomalu. Vývoj se zrychlil teprve v šedesátých letech, kdy USA, Kanada a Velká Británie začaly exportovat jaderné energetické reaktory. V Evropě vznikl v souvislosti se vznikem Evropského hospodářského společenství a Evropského společenství uhlí a oceli i Evropské společenství pro atomovou energii (EUROATOM). Jeho hlavním úkolem byla podpora růstu a rozvoje jaderného průmyslu a nastavení mechanismů kontrolujících možné zneužití jaderných materiálů.

Rozvoj jaderné energetiky, využití radionuklidů pro celou řadu účelů, zvyšování počtu jaderných zbraní i jaderných velmocí, přidala se k nim i Čína, i ekologické dopady jaderných testů vedly k růstu důležitosti dohody zabraňující šíření jaderných zbraní a jejich testů. Intenzivní jednání o ní přivedla k návrhu Smlouvy o nešíření (Non-Proliferation Treaty - NPT) předloženému státům OSN. Smlouva byla podepsána 1. července 1968 a v platnost vstoupila 5. března 1972 při splnění základní podmínky, kterou bylo, že se k ní připojí alespoň tři jaderné velmoci a dalších čtyřicet států. Hned zpočátku smlouvu podpořily tři jaderné velmoci a dvě další oficiální, Francie a Čína, smlouvu ratifikovaly v roce 1992. V současné době ratifikovalo smlouvu 190 států, což jsou téměř všechny státy OSN. Velice důležité je, že ke smlouvě přistoupila v roce 1991 Jihoafrická republika, která jaderný zbrojní program měla. Postupně dovolila přístup inspektorů MAAE do svých jaderných zařízení, ukázala své zásoby jaderných materiálů a demontovala svých šest štěpných jaderných bomb se vstřelovacím iniciačním zařízením. Neratifikovaly ji pouze státy, které se nechtějí podřídit kontrole v této oblasti a vlastní reálně nebo pravděpodobně jaderné zbraně. Jde o Indii, Pákistán a Severní Koreu, které provedly jaderné testy a je jasné, že jaderné bomby mají, a Izrael, který žádné testy jaderné zbraně nerealizoval, ale předpokládá se, že by jadernou bombu mohl mít. V tomto případě je Izrael na tom podobně, jako tomu bylo u JAR.

Jako nosiče raket s jadernými bombami slouží i jaderné ponorky. Na obrázku je sovětská ponorka TK-17 třídy Typhoon (zdroj Wikipedie).

Smlouva dělí státy na tři kategorie. Jde o jaderné státy, které vlastní jaderné zbraně a smlouvu ratifikovaly, nejaderné státy jaderné zbraně nemají a státy, které stojí mimo smlouvu NPT. S dodržováním smlouvy NPT je spojen systém jaderných záruk (Safeguards), za který je zodpovědný každý jednotlivý stát. Podle typu států se rozeznávají tři typy zárukových dohod. První je všeobecná záruková dohoda typická pro nejaderné státy, jako je třeba Česko, druhou dohoda na dobrovolném principu typická pro jaderné státy a záruková dohoda pro specifické položky, která se uzavírá se státy, které smlouvu NPT neratifikovaly. Hlavním garantem dodržování dohody se stala organizace MAAE. Smlouva byla postupně doplněna některými dalšími dílčími smlouvami o nešíření jaderných zbraní v konkrétních oblastech. Jako první příklad může sloužit smlouva o zákazu vojenských aktivit v Antarktidě (Antarctic treaty).

Organizace MAAE uplatňuje stále efektivnější systémy kontroly, které jsou zaměřeny na výrobu a pohyb jaderných materiálu a šíření technologií dvojího určení, tedy těch, které jsou použitelné při vývoji jaderných zbraní. Při kontrole se lze spoléhat na stále efektivnější technologie a metodiky sledování. Inspektoři MAAE mají právo inspekce ve všech místech, kde se pracuje a manipuluje s jaderným materiálem. Jde nejen o mise inspektorů (i neohlášené) na konkrétní lokality, ale i využití dálkových prostředků kontroly včetně družicových systémů. Pro sledování jaderných materiálů lze využívat jejich radioaktivitu a odborníci MAAE neustále vylepšují technologie detekce a identifikace radioaktivního záření. Smlouva NPT byla původně přijata na 25 let, ale v roce 1995 byla prodloužena na neurčito. Každých pět let se koná na půdě OSN konference účastníků, která hodnotí její plnění a pokrok v jaderných technologiích a metodách kontroly. Na těchto konferencích si nejaderné státy opakovaně stěžují, že jaderné státy plní jen velmi neochotně ty články smlouvy, které je zavazují vést jednání o jaderném odzbrojení a redukci zásob jaderných zbraní. Zde se sice hlavně v devadesátých letech učinil značný pokrok související se smlouvami mezi USA a Ruskem o omezení počtu jaderných zbraní, ale po politických změnách v posledním desetiletí nelze pokrok v této oblasti očekávat.

Car-bomba byla nejsilnější termojaderná zbraň, která se testovala (zdroj atomicarchive.com)

Velmi důležitým nástrojem proti šíření jaderných zbraní je smlouva zákazu jaderných explozí. I ta se vyvíjela postupně. Už v roce 1963 podepsaly USA, Velká Británie a SSSR třístrannou smlouvu o částečném zákazu jaderných zkoušek (Partial Test Ban Treaty), kde odstoupily od testů v atmosféře, vodě a kosmickém prostoru. Jednalo se o reakci na globální radioaktivní znečištění, které při těchto jaderných výbuších vzniká. V devadesátých letech se začalo jednání o úplném zákazu jaderných testů, které vedlo v roce 1996 k přijetí Smlouvy o všeobecném zákazu jaderných testů (Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty). Tuto smlouvu podepsalo 183 států, ale zatím ji ratifikovalo jen 162 z nich. Smlouva se sice víceméně dodržuje, ale formálně vstoupí v platnost, až ji ratifikuje všech 44 států, které využívají jaderné technologie. Tedy nejen státy, které vlastní jaderné zbraně. Zatím smlouvu neratifikovaly USA, Čína, Indie, Pákistán, Izrael a Severní Korea. Indie, Pákistán a Severní Korea navíc provedly pokusné jaderné exploze po roce 1996.

Jak žít ve stínu jaderných zbraní?

Představa Roberta Oppenheimera a některých dalších fyziků, kteří se podíleli na rozvoji jaderné fyziky i jaderné zbraně, o plné mezinárodní kontrole jaderných zbraní a mírového využívání jaderných technologií se nerealizovala. Na druhé straně se podařilo vytvořit poměrně efektivní systém kontroly šíření jaderných technologií a materiálů, a hlavně jaderných zbraní. Nesplnila se ani naděje Oppenheimera, že hrozba jaderné zbraně zabrání vzniku další války. Na druhé straně rovnováha v jaderných zbraních mezi západním a východním blokem v době Studené války zajistila mír v Evropě, který trval déle než půl století a přežil i rozpad Sovětského svazů. K jeho konci došlo až nyní při invazi Ruska na Ukrajinu. Generaci mých rodičů tak sice zasáhla v dětství válka vyvolaná nacistickým Německem, ale celý ostatní život prožila v míru.

Zvláště v padesátých a šedesátých letech byly obavy z použití jaderných zbraní přítomné, ale i díky smlouvám popsaným v předchozí části postupně klesaly. Bohužel po otevřené invazi Ruska na Ukrajinu a výhrůžkám použití jaderných zbraní nejen proti Ukrajině i u oficiálních ruských představitelů, jako je Dmitrij Medveděv, reálně nejen obavy, ale i skutečné riziko jaderné války, rostou. Zatím však v oblasti jaderných zbraní dodržují všechny státy určité červené linie a dohodnutá pravidla, a to i ta, která nebyla ratifikovaná.

Je extrémně nepravděpodobné, že by nějaká teroristická organizace či zločinný soukromník dokázali vyvinout a zkonstruovat jadernou zbraň. Možností by byla krádež hotové jaderné zbraně nebo využití špinavé jaderné bomby, tedy ukradení radioaktivního materiálu a kontaminace dané lokality. Ovšem v současnosti existující jaderné bomby by měly být dostatečně jištěné proti nepovolanému odpálení. Podrobně o tom píše kolega Vladimír Hnatowicz ve své skvělé knize „Jaderné zbraně: Princip a historie“, která vyjde v nakladatelství Naše vojsko. V řadě případů jsem z ní čerpal a vřele ji každému doporučuji. Cíle, kterých by bylo možné dosáhnout špinavou bombou, jsou pak daleko snadněji dosažitelné jinými chemickými a technologickými prostředky.

Klíčové pro využití jaderných zbraní jsou nosiče, které jsou schopné je dopravit na cíl, balistická střela Peacekeeper startuje z podzemního sila (zdroj USAF).

Jinou věcí je dostatečně technologicky a ekonomicky vyspělý stát. Jak ukazují příklady Indie, Pákistánu, Severní Koreje, JAR a Izraele, v případě odhodlání je takový stát schopen jadernou bombu získat, a to bez ohledu na to, jestli má jadernou energetiku nebo ne. Na druhé straně však je současná kontrola natolik spolehlivá, že si nelze představit, že by se mu snaha o vývoj jaderné zbraně podařila utajit.

Zároveň je otázka, jak by mu byla jaderná bomba užitečná. Jak jsem zmínil, jde čistě o nástroj odstrašení. Jeho platnost končí v případě použití, kdy vede k totální katastrofě. A zároveň nepomůže v případě, že daný stát nemá dostatečný potenciál klasických zbraní pro potřeby konvenční obrany. To je jasně vidět u Izraele, válek mezi Indií a Pákistánem, a ostatně i u současné invaze Ruska na Ukrajinu. Ve většině případů tak vlastnictví jaderných zbraní nepřináší výhodu.

Jak už jsem psal, lze jen těžko najít případ, kdy by v reálné válce nebyla taktická jaderná zbraň nahraditelná klasickou. Jedinou vlastností je právě to slovo jaderná a strach, který v lidech vyvolává. Alespoň podle mého názoru však jejím použitím reálně tato vlastnost zmizí. Problém však je, že v případě, kdy se taktické jaderné zbraně začnou používat, extrémně stoupne riziko použití strategických jaderných zbraní a všeobecné jaderné katastrofy.

Proto je strašně důležité, aby se červená linie nepoužití taktické jaderné zbraně udržela. A doufám, že v případě využití jaderné zbraně některým státem by se pro všechny ostatní stal vyvrhelem, proti kterému by se zásadně a efektivně postavily. Chovám naději, že by tak postupovaly Čína i Indie, kdyby se Putin rozhodl použít taktickou jadernou zbraň proti Ukrajině. Právě obava z takového postoje Číny a Indie doufám zabrání tomu, aby Putin tuto červenou linii překročil, i když Dmitrij Medveděv a řada dalších hlasů z Ruska po jejím překročení volají.

Našim předchůdcům se sice i přes snahy, které realizoval třeba i Robert Oppenheimer, nepodařilo vyřešit problémy, které přináší jaderné zbraně, ale ve stínu jaderných zbraní dokázali přežít a přežila i západní demokracie. Nás a naše děti čeká nyní extrémně náročné a nebezpečné období, a lze jen doufat, že se nám podaří se s ním vypořádat alespoň tak, jak se to podařilo jim.

Jaderná elektrárna v Obninsku v Sovětském svazu byla první, která dodávala elektřinu domácnostem a průmyslu (zdroj Wikipedie).

Mírové využití jaderné energie

Již od počátku bylo jasné, že jaderná energie může být i velmi efektivním a kompaktním energetickým zdroje. Proto se souběžně s vojenským využitím jaderné energie intenzivně pracovalo na jejím využití pro mírové účely. První jaderný reaktor, který vyrobil elektřinu, byl experimentální reaktor EBR-1 v Idaho ve Spojených státech 20. prosince 1951. Ovšem v tomto případě šlo o pouhou demonstraci, při které se rozzářily čtyři žárovky. Maximální výkon, kterého byl později reaktor schopen dosáhnout, byl 0,2 MWe. Jednalo se o první experimentální množivý reaktor chlazený sodíkem.

Úplně první reaktor, který dodával elektřinu domácnostem, byl v Obninsku v Sovětském svazu. Reaktor AM-1 byl předchůdcem reaktorů RBMK a jeho výkon byl 5 MWe. Fungoval až do roku 2002 a v provozu tak byl 48 let. První západní jadernou elektrárnou reálně dodávající elektřinu domácnostem byla Calder Hall ve Velké Británii. První blok této elektrárny z celkových čtyř začal dodávat elektřinu 24. srpna 1956. Jednalo se o plynem chlazené reaktory typu Magnox s výkonem 60 MWe. První z nich byl v provozu až do roku 2003, tedy 47 let. Jako zlomovou lze označit jadernou elektrárnu Shippingport v Pensylvánii, která byla prvním reaktorem postaveným čistě pro výrobu elektřiny, a také prvním tlakovodním reaktorem. To je typ, který se i v současné době využívá jako zdroj energie nejčastěji. První elektřinu dodal blok s výkonem 60 MWe dne 18. prosince 1957 a reaktor pak pracoval do roku 1982.

Během šedesátých let se realizovaly reaktory I. generace a vyvinuly reaktory II. generace. V sedmdesátých a osmdesátých letech se pak jaderná energetika rozvíjela velmi rychle, podobně jako se v nedávné době rozvíjely větrné a solární zdroje. Mezi lety 1970 až 1990 vzrostla roční produkce elektřiny z jaderných zdrojů z necelých 80 TWh na téměř 1900 TWh, tedy více než dvacetkrát. V roce 1990 a následujících více než deset let byl podíl jádra na produkci elektřiny okolo 17 %.

V té době byly v čele rozvoje jaderné energetiky Spojené státy a Evropa. V USA nakonec překročil v maximu počet reaktorů číslo sto a v počtu reaktorů druhá Francie se v počtu bloků v provozu dostala téměř k šedesátce. Největší rozvoj je spojen s ropnou krizí, kdy hlavně evropské státy, které na rozdíl od USA mají omezené zdroje ropy a plynu, viděly v jaderné energetice možnost zajistit stabilní zdroj nefosilní energie. Francie tak během zhruba dvaceti let přešla k nízkoemisní elektroenergetice, ve které jaderné elektrárny produkují přes 70 % elektřiny. Francie zároveň ve velké míře přešla na vytápění elektřinou, a i v této oblasti se dobrala nízkoemisnosti. Francie tak ukázala, že je možné kombinací jaderných a obnovitelných zdrojů dosáhnout nízkoemisní elektroenergetiky. Je třeba připomenout, že těmi obnovitelnými zdroji byly z počátku dominantně vodní elektrárny a Francie necílila na nízké emise, ale na vyloučení hrozby při výpadků dovozu fosilních paliv, které se projevily v době ropných krizí v roce 1973 a 1979.

Rozvoj výroby elektřiny z jaderných zdrojů (zdroj WNA)

Na podobnou cestu v řešení zajištění zdrojů energie se v v sedmdesátých a osmdesátých letech vydala řada evropských států včetně Německa. Evropa má relativně velmi omezené zásoby surovin, ale v dané době byla na špici technologického rozvoje, a to i v jaderných technologiích, které jsou náročné právě na vědeckou, vzdělanostní a ekonomickou úroveň dané společnosti. Evropské státy tak mohly nedostatek energetických surovin kompenzovat právě těmito svými přednostmi.

Právě Francie ukázala, jak lze úspěšný přechod k elektroenergetickému mixu s vysokým podílem jaderných zdrojů realizovat. Své jaderné bloky budovala ve dvojici a celou flotilu v sérii relativně rychle za sebou. Efektivně tak mohla využít zkušenosti získané u prvních bloků a postupně vychovat zkušené odborníky pro výstavbu dalších bloků. Podrobněji jsou úspěchy, problémy i budoucnost francouzské jaderné energetiky popsány v dřívějším článku.

A problémy, na které narazila francouzská jaderná energetika, ovlivnily situaci i jinde v Evropě a ve světě. Po odeznění ropných krizí se postupně ukázalo, že fosilních paliv je dostatek a obavy z jejich rychlého vyčerpání jsou přehnané. Zvláště v USA tak jaderná energetika, jako zdroj s vysokými investičními náklady, v případě privátního investorského finančního modelu ztrácí v konkurenci s relativně levným zemním plynem. Hlavně ve Francii už byl podíl jaderných elektráren tak vysoký, že se významně podílely na regulaci sítě a další výstavba dalších bloků už by nebyla příliš efektivní. Zároveň se ukázalo, že reaktory mohou být provozovány čtyřicet, padesát a nyní se zdá, že i déle než šedesát let. Navíc se pak, hlavně ve Spojených státech, dařilo zvyšovat výkon i koeficient využití stávajících jaderných bloků. Náhrady fungujících reaktorů tak nebylo třeba dlouho stavět a nebyl ani velký tlak na stavbu nových.

Opuštěný kolotoč v Pripjati je symbolem největší havárie jaderné elektrárny Černobyl (zdroj autor).

Po havárii ve Three Mile Island a Černobylu se dramaticky zvýšily nároky kladené na projekty a schvalování výstavbu jaderných zdrojů, které ne vždy souvisely s bezpečnostními parametry. V Evropě se pak celkově zhoršily podmínky pro realizaci velkých infrastrukturních staveb a schopnosti evropské společnosti se v této oblasti dramaticky propadly. Stále větším problémem bylo, že jaderné elektrárny jsou velmi dlouhodobé projekty s velmi vysokými počátečními investicemi, a jako takové potřebuji poměrně stabilní investorské a politické prostředí. A zde se naopak časový výhled, na který byli politici a investoři ochotni myslet, spíše zkracoval.

I z tohoto důvodu tak daleko největší vliv na rozvoj jaderné energetiky hlavně v Evropě měla činnost zelených protijaderných aktivistů. Ti spojili boj proti jaderným zbraním s tažením proti jaderným elektrárnám a neodlišovali mezi nimi. A byly v tom velmi úspěšní. Představa, že se postaví velká investice s vizí provozu šedesát let a její návratnosti řadu let, a kdykoliv může změna politické reprezentace, do které se dostanou zelené strany, vést k zákazu jejího využívání, nepovzbuzuje příliš k využití této cesty. Jako příklad může sloužit vývoj v Německu, kde odstoupení od jaderné energetiky „Energiewende“ byla přijata koalicí SPD a Zelených za vlády Gerharda Schrӧdera, právě hlavně jako úlitba pro vstup Zelených do koalice. Stejně tak byl experimentální rychlý reaktor Superphénix odstaven na základě požadavku Zelených pří formování koaliční vlády Lionela Jospina.

V současné době se v Evropě jaderné bloky III. generace budují pouze v Hinkley Point C ve Velké Británii. Jde o reaktory EPR (zdroj EDF).

Využijeme jadernou energii pro přechod k nízkým emisím?

Velkým paradoxem je, že se kombinace jádra a obnovitelných zdrojů ukázala být jako velmi efektivní mix pro přechod k nízkoemisní energetice. To ukázala nejen Francie, ale také Švédsko, Švýcarsko, Ontario a také Slovensko a Finsko. Zároveň Německo jasně ukazuje, že čistě na obnovitelných zdrojích zatím nízkoemisní mix, pokud nejde o velmi specifické geografické podmínky, vybudovat nelze. Mix složený z jaderných a obnovitelných zdrojů by tak byl ideální cestou k potlačení emisí. Kdyby například Německo neodstavilo své jaderné elektrárny, které mohly ještě řadu desetiletí fungovat, mělo by dnes nízkoemisní elektroenergetiku. Byla by sice s menším podílem jádra a větším podílem obnovitelných zdrojů, než je tomu u Francie, ale byla by už nyní nízkoemisní. A také celá Evropa by měla bez předčasného zavírání jaderných bloků k nízkoemisnosti daleko blíže.

Je naděje, že Jadernou elektrárnu Dukovany bude možné provozovat i šedesát let (zdroj ČEZ).

Po krizi, kterou přinesla ruská invaze na Ukrajinu a probíhajícího uzavírání jaderných a uhelných zdrojů, se v posledních letech pohled společnosti, a dokonce i některých zelených, na jadernou energetiku začal měnit. Je tak možné, že se přece jen podaří v Evropě budování jaderných reaktorů obnovit a jadernou energetiku pro přechod k nízkým emisím využít. Bude to však velice náročné, protože bude nutné teprve obnovit evropské kompetence v této oblasti a obecně schopnost plánovat a realizovat velké infrastrukturní stavby. Současný stav jaderné energetiky a její vývoj v poslední desetiletí popisuji v každoročních přehledech, letošní je v tomto článku.

Proto, aby se intenzivní využití jaderné energetiky pro přechod k uhlíkové neutralitě realizovalo, je třeba vyřešit pět velkých výzev, které před ní v současné době stojí. První výzvou je dlouhodobé bezpečné provozování stárnoucích reaktorů II. generace. V současnosti nejstarší fungující reaktory jsou v provozu téměř 54 let, Jde o reaktory Beznau 1 a 2. Velmi důležité je, že koeficient využití se se stářím nemění a nezhoršují se ani jejich bezpečnostní parametry. U těch je to právě naopak. Kromě reaktorové nádoby se mohou všechny části jaderné elektrárny opravovat, vylepšovat a vyměňovat. A řada vylepšení je zaměřena na zvýšení bezpečnosti, třeba právě ta, která byla realizována po havárii ve Fukušimě. Jiná vylepšení umožňují zvyšovat výkon jaderných reaktorů. Víme, že bude možné velkou část bloků provozovat nejméně 60 let, a některé z nich dokonce i 80 let. Existují už reaktory, které mají na tak dlouhý provoz licenci. Možné provozování dokonce i 70 let se týká i současných bloků v Dukovanech.

První příklad klasického malého modulárního reaktoru ACP-100 se v Číně blíží k dokončení (zdroj CNNC).

Druhou výzvou je přechod od reaktorů II. generace k reaktorům III. generace. Jde o reaktory, které mají daleko vyšší bezpečnostní parametry, měly by se budovat modulárnějším a sériovějším způsobem, daleko lepší by měly být jejich provozní parametry a také ekonomika, standardní doba provozování by měla přesahovat 60 a dosahovat až 100 let, měly by efektivně využívat recyklované palivo typu MOX nebo REMIX a měly by umožňovat regulaci ve velmi širokém rozmezí. Takového typu jsou třeba reaktory, které se účastní tendru pro Dukovany. Přechod už v současné době probíhá. Existuje sedm typů takových reaktorů, které mají postavený alespoň jeden blok. Všechny, kromě jednoho varného, jsou tlakovodní. V současné době jich je v provozu téměř 40, což znamená, že tvoří okolo 10 % fungujících jaderných zdrojů, a jejich podíl stále roste.

Třetí výzvou je zavedení malých modulárních reaktorů. Ty by měly pomoci proniknout jaderné energetice vice do decentralizované energetiky, případně využít výhodnější finanční model. Je skutečností, že náklady u reaktoru rostou pomaleji, než je tomu u výkonu. To je důvod, proč se od malých reaktorů přešlo k velkým. U malých modulárních reaktorů by se to mělo kompenzovat hromadnou modulární výrobou. Předpokládají se klasické koncepty, pokročilé koncepty a koncepty s velmi dlouhou dobou vyhořívání. Klasické koncepty jsou nejblíže komerčnímu využití. V provozu jsou zatím jen reaktory, které jsou ekonomicky konkurenceschopné ve specifických podmínkách. Jde například o plovoucí jadernou elektrárnu Akademik Lomonosov. Jako příklad klasické koncepce mohou sloužit tlakovodní a varné reaktory, které jsou odvozeny ze současných velkých reaktorů. Jeden takový ACP100 s výkonem 100 MWe se buduje v Číně a dokončen by měl být v roce 2026. Po uvedení do provozu by mohl ukázat, jak je ekonomicky konkurenceschopný s velkými čínskými reaktory. Do provozu už byl uveden pokročilý malý modulární reaktor HTR-PM 200, který je vysokoteplotní heliem chlazený reaktor IV. generace. Ten by mohl ukázat, jak řešit následující výzvu, na kterou se podíváme.

Malé modulární reaktory s dlouhou dobou vyhoření by fungovaly jako baterie. Samotný reaktor s palivem by se v kompaktním a hermeticky uzavřené formě dovezl do elektrárny, připojil a deset nebo i více let by dodával teplo pro turbínu. Pak by se vyměnil za stejný modul a výměna paliva by se dělala v centrálním závodě.

Při řešení proniknutí jaderné energetiky do více decentrální oblasti a teplárenství by mohly pomoci malé modulární reaktory. Vizualizace malého modulárního reaktoru BWRX-300 (zdroj GEH).

Na vývoji malých modulárních reaktorů začala pracovat celá řada i velmi významných firem pracujících v jaderném průmyslu. První komerčně nabízené reaktory klasického typu by se mohly objevit na začátku třicátých let. Zda a kdy, bude hodně záviset na počtu zájemců o taková zařízení. U nás by mohly nahradit stávající uhelné elektrárny a teplárny.

Tím se dostáváme k další čtvrté výzvě, kterou je využití jaderného tepla. Už nyní se využívají, a v poslední době stále více, jaderné reaktory pro dodávky tepla do centrálních zdrojů vytápění. Připomeňme horkovod z Temelína do Českých Budějovic. Už jsme mluvili o Francii, která využívá ve velké míře pro vytápění elektřinu. Elektřinu z jaderných zdrojů mohou využívat i tepelná čerpadla. Už bylo zmíněno, že velmi dobrou náhradou fosilních tepláren pro centrální zásobování tepla by mohly být malé modulární reaktory. Ještě náročnější je však náhrada fosilních zdrojů vysokopotentního tepla (tedy s vysokými teplotami) pro průmysl. Zde by se mohly uplatnit vysokoteplotní reaktory, viz již zmíněný HTR-PM. Případně by se mohlo využít spalování vodíku, které právě vysokoteplotní reaktory dokážou produkovat velmi efektivně.

Řešit pátou výzvu bude potřeba, pokud se lidstvo rozhodne využívat jadernou energii opravdu masivně. V tom případě musí řešit, že se v klasických jaderných reaktorech dominantně využívá izotop uranu 235. Jak už bylo zmíněno na začátku článku, je ho v přírodní uranové rudě pouze 0,7 %. To znamená omezenější množství dostupného paliva. Pro spalování všeho uranu a případně i thoria je potřeba využít speciální rychlé reaktory v množivé konfiguraci. Takové reaktory patři k reaktorům IV. generace. Ty by umožnily pomocí recyklace vyhořelého paliva velmi efektivně využít veškeré zásoby uranu a thoria a zajištění paliva na tisíciletí i při velmi intenzivním využívání jaderných zdrojů. Zároveň by jejich využití vedlo k dramatickému snížení množství jaderného odpadu. I v současné době se částečná recyklace vyhořelého paliva realizuje v podobě paliv typu MOX a REMIX, ale jde jen o velmi malý příspěvek. Ještě efektivnější využití vyhořelého paliva a snížení objemu i nebezpečnosti radioaktivního odpadu by mohly přinést velmi pokročilé jaderné technologie v podobě urychlovačem řízených transmutačních technologií.

Jaderná energetika by při postupném řešení popsaných výzev mohla spolu s obnovitelnými zdroji zajistit nízkoemisní pokrytí stále rostoucích energetických potřeb lidstva. Růst je potřeba nejen pro vyrovnání životní úrovně rozvojových částí světa, ale také pro pokrytí stále rostoucí elektrifikací řady oblastí, jako třeba doprava. Způsobuje jej i rozšiřování služeb nebo vznik nových, jako je třeba umělá inteligence, která má velmi vysokou spotřebu.

Je třeba zdůraznit, že žádný energetický zdroj není samospasitelný, ale je potřeba využívat co nejefektivnější mix různých zdrojů, který odpovídá geografickým a dalším podmínkám v daném regionu. Podle mého názoru však nebude cesta k nízkoemisní energetice a uhlíkové neutralitě bez intenzivního využití jaderné energie možná.

Rychlý sodíkový reaktor BN800 je jeden ze dvou takových reaktorů, který je provozován v režimu komerčních dodávek elektřiny (zdroj Rosenergoatom).

Popsané výzvy a technologie jsou známé a jejich řešení a uplatnění závisí na nalezení co nejlepšího efektivního a ekonomicky konkurenceschopného technického řešení. Jinou záležitostí je jaderná fúze. Realizovatelný návrh termojaderného reaktoru, který by se dal využívat pro produkci energie, zatím nemáme. Je to podobná situace, jako je v případě masivního dlouhodobého ukládání energie. V těchto oblastech je třeba velice intenzivně podporovat vědecký a technologický výzkum, který pravděpodobně ve vzdálenější budoucnosti přinese kýžené ovoce v podobě fúzní termojaderné elektrárny. Současný stav fúze je popsán v nedávném článku. Evropa je klíčovým členem projektu ITER, který by měl demonstrovat možnost realizace fúzního reaktoru. Ten se buduje ve francouzském ústavu Cadarache. I zde se bohužel projevuje jistá ztráta schopnosti vyspělých států realizovat velké infrastruktury. Nedávno tak bylo vyhlášeno další poměrně dramatické zpoždění projektu. Ten se tak rozběhne až v třicátých letech.

Stejně jako u masivní akumulace bychom i fúzní technologie měli být připraveni k jejich využití, ale nemůžeme na ně zatím spoléhat. Pokud se však podaří realizovat komerční fúzní elektrárnu, získáme tím velmi efektivní zdroj na veškerou představitelnou dobu existence civilizace na Zemi. Podle mého názoru však termojaderné elektrárny nevytlačí ostatní zdroje. Stanou se součástí mixu složeného z fúzních a štěpných reaktorů i obnovitelných zdrojů s různými typy akumulace. Připomínám, že energii z jaderných zdrojů můžeme stejně dobře akumulovat, jako energii ze zdrojů obnovitelných.

Návrat na Měsíc není možný bez jaderných zdrojů. Budou zde dříve Američané nebo Číňané? (Zdroj NASA).

Na závěr této části bych ještě připomenul, že bez jaderných zdrojů není myslitelná expanze lidstva do vesmíru, a to i pomocí automatů. Energii potřebujeme pro zásobování elektřinou a teplem v místech, kde nesvítí, i v pro pohon kosmických lodí. Pro Sluneční soustavu stačí radionuklidové zdroje a štěpné jaderné reaktory, pro případně mezihvězdné lety se však neobejdeme bez termojaderné fúze. Podrobněji je tato oblast popsána v dřívějším článku.

Jaderná energie a demokracie

Dostatek energie je klíčovou podmínkou pro přežití lidského společenství a pouze využití fosilních paliv a jimi umožněná průmyslová revoluce umožnila existenci demokracie v našem pojetí. Ta je možná pouze v případě zajištění základních potřeb a odpovídající životní úrovně pro všechny členy této společnosti. Starořecká či římská demokracie byla jen pro velmi omezený okruh členů této společnosti. Netýkala se otroků, žen a celé řady dalších skupin. Opravdu nešlo o formu zřízení, kterou si představujeme pod pojmem demokracie nyní. Demokracie a její ochrana potřebuje dostatek energie. Pokud se máme obejít bez fosilních paliv, je potřeba za ně mít ekvivalentní náhradu, a ta se podle mě neobejde bez využití jaderných zdrojů.

Velmi důležité je mít neustále na vědomí, že o přírodních zákonech opravdu nelze hlasovat, je nutné je respektovat. Zvláště v posledních desetiletích se tato skutečnost u řady skupin aktivistů a politiků nebrala v potaz, a i vědecké a technické problémy řešili čistě ideologicky bez ohledu na realitu přírodních a technických zákonitosti. Extrémně silně je touto skutečností ovlivněn právě Green Deal.

Pokusil bych se diskutovat několik chybných představ týkajících se energetiky, které se u různých zelených aktivistů často objevují. Jednou z nich je, že obnovitelné zdroje jsou decentrální a z toho titulu více demokratické. Připomenul bych, že v současné době probíhá, a to i v oblasti obnovitelných zdrojů, pohyb ve dvojím, a to opačném směru. Jedním je decentralizace a zapojování i malých zdrojů energie, a zajištění výroby a spotřeby v jednom místě. Druhým je stále větší centralizace a doprava velkých výkonů na stále větší vzdálenosti. Nahrazení vlastních jaderných bloků v Bavorsku elektřinou velkých větrných farem na severním pobřeží moře a jejich dopravu přes celé Německo vede k posílení centralizace. Plánuje se transport obnovitelné energie dokonce přes celý evropský kontinent. Naopak, malé modulární reaktory by vedly k decentrálnější jaderné energetice. I samovýroba elektřiny pomocí fotovoltaických či větrných zdrojů vyrobených ve velkých továrnách, například v Číně při využití laciné energie, nesnižuje závislost člověka na velmi silné organizaci a centrální složky společnosti. Energetika postavená na jaderných i obnovitelných zdrojích potřebuje podobnou míru centralizace a umožňuje podobnou míru demokracie.

Obnovitelné zdroje opravdu nemusí být malými decentralizovanými zdroji (zdroj Vatettenfall).

Další mylnou představou je, že je jaderná energetika oproti jiným zdrojům energie nebezpečnější. I díky velmi přísnému dozoru patří jaderná energetika k těm nejbezpečnějším průmyslovým oborům. Nastaly pouze dvě havárie s dramatickými dopady na širší okolí (Černobyl a Fukušima) a pouze jedna z nich (Černobyl) vedla k většímu počtu obětí. Havárie přehrad, výbuchy plynu (to může být i u vodíku při jeho masivním využívání a transportu) nebo důlní katastrofy mají i daleko dramatičtější dopady. Dopady v přepočtu na jednotku vyrobené elektřiny patří u jaderné energetiky k těm nejnižším. Je třeba si také uvědomit, že radioaktivita je přirozenou součástí životního prostředí a při posuzování jejich dopadů je třeba postupovat realisticky a racionálně.

V souvislosti s válkou na Ukrajině se do popředí dostává otázka, jaké nebezpečí hrozí od jaderných elektráren v případě války. Ukrajina měla před invazí Ruska přes polovinu elektřiny z jaderných zdrojů. Hned na jejím začátku byla okupována Záporožská jaderná elektrárna a od té doby je přímo na dotyku armád v bojové zóně. Přesto zatím naštěstí nedošlo k žádné havárii, elektrárna byla odstavena a je udržována v bezpečném stavu i díky tlaku a dohledu MAAE. Na druhé straně je však třeba říci, že při představitelné havárii způsobené válečnými ději by u těchto typů reaktorů s kontejnmentem  následky, a to i ekologické, nedosáhly nejspíše ani zlomku úrovně škod způsobeným extrémně intenzivním bombardováním a destrukcí, kterou zde v průběhu více než dvou let pozorujeme. Samotné Ukrajině jaderné zdroje v udržení energetické bezpečnosti pomáhají. V tomto případě Rusko zatím červenou linii nepřekračuje a rakety na jaderné elektrárny neposílá. Tyto zdroje tak má Ukrajina stále plně k dispozici. Jen je třeba udržet vedení pro vyvedení výkonu a jeho dopravu ke spotřebitelům. Ale to může být jednodušší, než obnova a výstavba náhrady za zničené zdroje. To je vidět zvláště v tomto roce, kdy se Rusko zaměřilo na ničení tepelných a vodních elektráren. Podrobněji je problematika popsána v dřívějších článcích (zde a zde).

Je velmi důležité, že bez dostatečné vědecké, technologické a ekonomické úrovně si ve světě nelze zajistit respekt a ubránit svou vizi světa a také demokracii. A toto vše nelze bez dostatečného energetického a průmyslového zázemí. V Evropské unii je však nejen energetika velmi dramaticky ovlivněna silnou ideologizací a odklonem od racionality a realismu. Obrovský vliv mají bohužel aktivistické skupiny, které mají minimální znalosti dané problematiky, ale o to fanatičtější ideologickou vizi. Právě ideologické aktivistické kampaně způsobily zaostávání Evropské unie nejen v jaderné energetice, ale třeba i v genetických technologiích a biotechnologiích.

Fúzní reaktor ITER by mohl ukázat cestu k termojaderné fúzi. Bohužel opět došlo k významnému zpoždění jeho dokončení (zdroj ITER).

Pokud chce Evropská unie udržet svoji nezávislost, význam a demokracii v konkurenci například s Čínou nebo Indií, nebo se ubránit invazi Ruska, musí být vědecky, technologicky i ekonomicky na výši. A to není možné bez dostatečného průmyslového a energetického zázemí. Evropská unie má omezené surovinové zdroje, podle mého názoru tak potřebné zázemí nemůže získat bez jaderných zdrojů a bez zaměření na špičkovou vědeckou a technologickou úroveň.

Závěr

Jak jsem psal, přírodní zákony jsou objektivní a nelze je hlasováním měnit. Jiné to je s názory, jaké cíle by si měla volit společnost, jaký život je nejsmysluplnější a čemu by se měl člověk ve svém životě věnovat. Stejně jsou subjektivní politické názory a ideové zaměření a cíle, a také lidské zákony a morální pohledy.

Následující úvaha je tak má subjektivní. Různí lidé mohou pochopitelně preferovat různé politické zřízení. Někdo může preferovat západní demokracie, kde se aktivisté LGBT nezavírají a církev je oddělená od státu. Jinému může lépe vyhovovat politický systém Ruska, kde se LGBT aktivisté zavírají a pravoslavná církev je propojena se státem, ještě jinému pak systém, jako je Irán, kde stát duchovní přímo řídí a natvrdo je konstituován patriarchát. Někomu může daleko více hovět politický systém Severní Koreje, kde je církev zakázána a zemí řídí komunisticky diktátor. Nebo třeba čínský politický model, který je volnější, ale přesto hodně kolektivistický.

Myslím, že aktivismus je dobré projevovat pouze na základě reálných znalostí a porozumění dané problematice, což velice často u aktivistů chybí. Pokud mladí lidé nepochopí tuto důležitou podmínku, můžou si vytvořit budoucnost, kterou si určitě nepřejí. Proto se snažím vědu a znalost přírodních a technologických zákonitostí popularizovat. Obrázek je s diskuze vědců (já, Petr Pokorný a Iva Zvěřinová) se studentskými aktivisty Stávky za klima pořádané organizací Paralelní polis v roce 2019 (zdroj Andrea Malíková).

Já osobně preferuji západní demokracii a jsem odhodlaný ji bránit. Podle mého názoru umožňuje koexistenci daleko nejširší škály různých pohledů na lidské cíle, vztahy, náboženské i politické názory. A zaručuje nejširší míru svobod a náhledů na to, jaký si chci vytvořit životní osud. Vůbec není ideální, má spoustu chyb a zdaleka není zaručeno, že se udrží a přežije v konkurenci jiných. To bude záviset na tom, zda bude schopná efektivněji řešit problémy, které se před společnost staví a rozvíjet její nejen životní, kulturní a duchovní úroveň. A to je kriticky závislé na rozvoji poznání, vědy, technologií a získání dostatku energie environmentálně udržitelným způsobem.

Mám obavu, že v západních demokraciích je v současné době na jedné straně velká tolerance a na druhé se vzájemná tolerance k názorům druhých dramaticky snižuje. Někdo je tolerantní ke všem typům sexuálních vztahů a libovolnému genderu, včetně fluidního, ale při náznaku, že někdo preferuje klasickou rodinu a byl by rád, kdyby jen jí zůstalo označení manželství, jej hned označí za fašistu. A naopak je někdo tolerantní k různé optimalizaci odvodu daní, ale každého, kdo jen náznakem zmíní, že by měly být daně progresivní a mělo by se bránit extrémním rozdílům mezi příjmy, označí za komunistu. Mám pocit, že politici místo snahy o reálný program a řešení problémů se zaměřují čistě na boj o vítězství ve volbách za každou cenu a likvidaci politického protivníka a jeho odstranění i za cenu využití mimovolebních prostředků.

Článek bych rád věnoval kolegovi Vladimíru Hnatowiczi, o jehož knize věnované jaderným zbraním jsem v textu psal. Jde o excelentního jaderného odborníka, který se zásadní měrou zasadil o rozvoj jaderně analytických metod v našem ústavu. Nedávno se tak také stal jedním z prvních emeritních pracovníků Ústavu jaderné fyziky AV ČR. Kredit: SSJMM.

Až doposud byly Evropa a USA na špici vědeckého, technologického, ekonomického i kulturního rozvoje, a právě úspěchy v těchto oblastech dokázaly inspirovat i ostatní svět. I díky tomu měl také dostatečné prostředky na obranu, která umožnila hájit západní demokracii. Inspirací je cesta na Měsíc či na Mars, urychlovač LHC a jeho objevy, ovládnutí jaderné fúze či superpočítače a jejich možnosti, pokud se soustředím na oblasti, kterým se věnuji. Obdiv obyvatel v jiných částech světa opravdu nezískáme filosofováním, kolik desítek genderů existuje a jak jsou fluidní, zákazem aut a přesedláním na kola, házení kečupu či barev na špičková díla starých mistrů a kulturní válkou o to, zda zakázat či přikázat společné toalety.

Změna priorit z vědy a technologického rozvoje k iracionálním ideologiím u nás vedla k tomu, že se do čela vědeckého, technologického i ekonomického rozvoje pomalu dostává Čína. Ta se zaměřuje na špičkové technologie ve všech oblastech a realizuje či připravuje celou řadu velkých vědeckých projektů. Jak jsem nedávno psal, není vyloučeno, že na Měsíci v blízkosti jeho jižního pólu přistanou první Číňané a ne Američané. Je to z říše spekulací typu „Kdyby“, ale podle mého názoru by se v případě, kdyby německá Energiewende nevytvořila totální závislost Německa na ruském plynu, Putin k invazi na Ukrajinu neodhodlal. Možná se mýlím, ale byl bych moc nerad, aby nám Green Deal udělal podobnou službu.

Plně souhlasím s tvrzením Andreje Sacharova, že rozvoj jaderné energetiky je jednou z nezbytných podmínek pro uchování ekonomické a politické nezávislosti, a že zvláště velký je význam jaderné energetiky pro Evropu a Japonsko, které nemají zásoby fosilních zdrojů. Jeho článek z roku 1977 je nyní opět extrémně aktuální. Kombinace jádra a obnovitelných zdrojů může zajistit udržitelným způsobem energetickou základnu pro špičkovou vědu, technologie a průmysl i ekonomiku. Tím se zajistí i potřebné kvalitní prostředky na obranu, které společně s odhodláním dokáží zajistit přežití i rozvoj naší demokracie. Bez toho ve světové konkurenci neobstojíme.

Video: Přednáška o srovnání reality s filmem Oppenheimer:

Video: Přednáška o současných výzvách před jadernou energetikou