Potenciál jaderné energetiky k zajištění energetických potřeb

Zvládnutí energie jádra pro vojenské účely, závody ve zbrojení a úsilí řady států osvojit si technologii jaderných zbraní – to vše vedlo amerického prezidenta Eisenhowera k projevu na Valném shromáždění OSN 8. prosince 1953, v němž vyzval k mírovému využívání jaderné energie, k zajištění dostatku elektrické energie pro všechny a k založení Mezinárodní agentury pro atomovou energii (MAAE). Zajištění energie stálo v roce 1955 též u počátků Evropské unie (viz Messinskou deklaraci). Vedlo k uzavření Eur atom Treaty – jedné ze dvou smluv, na jejichž základě je dnes EU založena.

Na výrobu elektřiny v jaderných reaktorech se pak soustředily armády světových mocností. Dnes jsou na jejich jaderných ponorkách a letadlových lodích stovky reaktorů. Tento typ reaktoru (chlazený lehkou vodou) též postupně zvítězil v ekonomické soutěži o uplatnění v civilní jaderné energetice.

Nyní stojí svět opět před problémem zajištění dostatku energie, tentokrát kvůli pokračující globalizaci a požadavku omezit emise skleníkových plynů. Bez renesance jaderné energetiky by byly dnešní požadavky energie těžko dosažitelné.

Jaderná energie

Rozdíl mezi jadernou a fosilní elektrárnou spočívá zejména v zařízení pro vývin tepla, jímž je v elektrárně na fosilní paliva spalovací kotel a v jaderné elektrárně jaderný reaktor. Zásadní rozdíl je – a to zdůrazněme – v objemech paliva, emisích skleníkových plynů, odpadech a odváděném teple.

Jaderným štěpením získáváme na jednotku hmoty 3 000 000krát více energie než spalováním fosilních paliv. K výrobě 100 GJ tepelné energie musíme rozštěpit asi 1 gram uranu nebo spálit přibližně 3 tuny uhlíku z uhlí. Plného využití přírodních zásob uranu však nelze dosáhnout v dnešních lehkovodních reaktorech, potřebujeme rychlé reaktory, kde produkované množství štěpného materiálu může být větší než množství spotřebované. Pro lehkovodní reaktory potřebujeme obvykle palivo s vyšší koncentrací štěpitelného uranu (asi 4 %), než má přírodní uran (asi 0,7 %). Proto musíme uran obohacovat, přičemž odpadem je ochuzený uran s menší koncentrací štěpitelného uranu (v závislosti na ekonomickém optimu 0,2–0,3 %). Vzhledem k tomu se využití přírodního uranu v současné době pohybuje kolem 0,5 %. V rychlých reaktorech lze využít 60–80 % (teoreticky až 100 %) přírodního uranu.

Vývoj jaderných elektráren generací II–IV

Od jaderných elektráren I. generace (které jsou dnes po dožití z provozu vyřazovány) přes elektrárny II. generace (ty jsou v provozu) až po jaderné elektrárny III. generace se jaderná bezpečnost zvýšila vždy o řád (viz obrázek tab. I). Bezpečnost jaderných elektráren III. generace dnes nevyžaduje zásadních vylepšení.

V roce 2007 bylo ve světě v provozu 439 bloků jaderných elektráren o celkovém instalovaném výkonu 372 GWe (obrázek tab. II), 5 bloků dlouhodobě odstavených a 34 bloků ve výstavbě. Výstavba dalších bloků v řadě zemí [3] je plánována.

Jaderné elektrárny vyrábějí významné množ ství elektřiny zejména v zemích OECD a EU (viz obrázek tab. II). Jaderná energetika představuje levný, spolehlivý a bezpečný zdroj energie neemitující skleníkové plyny. Provoz jaderných elektráren ovšem vyžaduje technickou infrastrukturu, bez které nelze zajistit jeho bezpečnost a spolehlivost.

Od samého počátku vývoje jaderných reaktorů se s nimi počítalo i pro jiné účely, vyvíjejí se další formy využití jaderných reaktorů III. a IV. generace, zejména spojení vysokoteplotního reaktoru s dodávkou průmyslového tepla, odsolováním mořské vody a výrobou vodíku.

Jaderná energetika může zajistit dostatek energie na tisíce let

K pochopení motivace a příležitosti, kterou nám nabízí jaderná energetika, porovnejme světovou energetiku a zásoby jednotlivých druhů paliv (obrázek tab. III) [4]:

S jadernými elektrárnami IV. generace s uzavřeným palivovým cyklem a dnešní spotřebou energie lze rozšířit využití známých zásob primárních zdrojů energie na více než 3000 let. Současné zásoby ochuzeného uranu a vyhořelého paliva již postačují na 300 let. Očekávaná spotřeba v roce 2030 vzroste o 70 % a úměrně tomu se tato doba zkrátí. Jaderná energie s reaktory IV. generace a uzavřeným palivovým cyklem může významně přispět k zajištění energetických potřeb v příštích stoletích (v případě nekonvenčních zásob uranu i tisíciletích). Zvládnutí technologie rychlých reaktorů s uzavřeným palivovým cyklem znamená energetickou nezávislost.

Jaderná energetika však může přispět k zajištění energetických potřeb pouze v dlouhodobém horizontu, a to za podmínky, že se k realizaci přistoupí neprodleně. Dlouhá doba výstavby jaderné elektrárny (pokud se dnes rozhodneme, že postavíme novou jadernou elektrárnu, začne tato elektrárna vyrábět elektřinu nejdříve v roce 2020), dlouhá doba životnosti klasických fosilních elektráren (uhelná elektrárna stavěná v současné době nemůže být z ekonomických důvodů nahrazena jadernou před rokem 2050–2060) a omezené výrobní i lidské kapacity umožňují postavit ve světě do roku 2050 jaderné elektrárny o instalovaném výkonu asi 1300 GWe. Z dnešního pohledu by to představovalo podíl na celosvětové výrobě elektřiny zhruba 56 %. Vzhledem k celkovému předpokládanému zdvojnásobení výroby elektřiny do roku 2050 to však bude jen 28 %. Dnes jsou na celém světě v provozu jaderné elektrárny o výkonu 370 GWe a podílejí se na výrobě elektřiny 16 %.

Mezinárodní spolupráce na využití potenciálu jaderné energetiky

Tak jako v padesátých letech chápou USA a EU i dnes potenciál jaderné energetiky k zajištění světových potřeb energie jako podmínku k mírovému harmonickému vývoji světa. Z toho důvodu byly iniciovány aktivity, jako jsou:

• „Generation IV. International Forum (GIF)“ – pro vývoj jaderných elektráren IV. generace [5], [6].
• „Global Nuclear Energy Partnership (GNEP)“ – cílem je zejména zajistit spolehlivý přístup k službám palivového cyklu, především v době přechodu na uzavřený palivový cyklus s rychlými reaktory.

Přístup EU k využívání jaderné energetiky

Evropa je dnes světovým lídrem v jaderné energetice, a nejen v jejím využívání, ale i v exportu a vývoji nových technologií. V současné době (podle údajů z r. 2007) je v 15 zemích EU 27 v provozu 146 jaderných reaktorů o celkovém instalovaném výkonu 131 957 MWe a další 4 reaktory o výkonu 5208 MWe jsou ve výstavbě [3]. K výstavbě nových reaktorů se chystá řada dalších zemí (Velká Británie, Itálie, Slovenská republika, Rumunsko, Litva, Slovinsko).

Emise CO₂ v energetickém sektoru EU 27 v roce 2005 činily 1562,1 Mt a v sektoru dopravy 1231,5 Mt. Celková hrubá výroba elektřiny činila 3309 TWh, z čehož 1772,5 TWh bylo vyrobeno v konvenčních fosilních elektrárnách a 997,7 TWh v jaderných elektrárnách. Náhrada jaderných elektráren fosilními by vedla k navýšení emisí CO₂ o 875 Mt.

Jaderná energetika se v EU 27 v roce 2005 podílela 30 % na výrobě elektrické energie a 15 % na celkové spotřebě energie.

S jadernou energetikou počítá i nová energetická politika EU. Evropská komise si je vědoma toho, že bez jaderné energetiky jako součásti energetického mixu není schopna naplnit své ambiciózní cíle pro léta 2020 a 2050.

Evropská komise proto připravila Strategický plán rozvoje energetických technologií [9] – plán výzkumu, vývoje a demonstrace klíčových technologií schopných přispět k dosažení cílů roku 2020 a 2050. Jaderná energetika je jeho nedílnou součástí.

Využití potenciálu jaderné energetiky je v rámci EU dále politicky založeno na třech klíčových iniciativách. Jsou to:

• Iniciativa průmyslu a výzkumu sdruženého v „Sustainable Nuclear Energy Technology Platform“ (SNE TP) pro společný postup v oblasti vývoje nových technologií a podpory provozu.
• Evropské jaderné energetické fórum „European Nuclear Energy Forum“ (ENEF) pro zlepšení politického klimatu a komunikace s veřejností. Zasedání ENEF se konají střídavě v Bratislavě a v Praze.
• „High Level Group on Nuclear Safety and Waste Management“ pro harmonizaci dozorné činnosti.

EU si je vědoma, že v řadě případů je třeba účastnit se globálních iniciativ. Proto se:

• EU prostřednictvím své organizace EURATOM zapojila do „Generation IV International Forum“ (GIF), jež směřuje k vývoji nových technologií,
• převážná většina členských států EU se zapojila do iniciativy „Global Nuclear Energy Partnership“ (GNEP), jež směřuje k společnému zajištění přístupu k palivovému cyk lu a specifickým technologiím pro menší rozvojové země bez potřebné infrastruktury.

Jaderná energetika v ČR

V roce 2006 bylo v České republice vyrobeno celkem 84,361 TWh elektrické energie a z toho 31 % pochází z jaderných elektráren Dukovany (EDU) a Temelín (ETE). Jejich společný instalovaný výkon 3760 MWe představuje 21,5 % z celkového instalovaného výkonu v ČR. Jaderné elektrárny Dukovany a Temelín významným způsobem redukují potenciální emise skleníkových plynů v ČR (30 Mt CO₂ oproti uhelným a 11 Mt CO₂ oproti paroplynovým elektrárnám).

Kdybychom měli při výrobě elektřiny dosáhnout podílu jaderné energie jako Francie (56 000 MWe v JE s podílem na výrobě 75 %), znamenalo by to postavit další jaderné elektrárny s instalovaným výkonem 7000 MWe při naší současné spotřebě elektřiny, popřípadě s instalovaným výkonem 11 000 MWe při nárůstu spotřeby elektřiny o 50 % do roku 2050.

Na výstavbě a dodávkách komponent pro jaderné elektrárny v ČR, SR a zahraničí se významným způsobem podílel český průmysl. V důsledku zpoždění výstavby jaderných elektráren Mochovce a Temelín zůstala značná část těchto kapacit zachována a jejich revitalizace bude snazší než ve státech, které přerušily výstavbu na 20 či více let.

Jedinečná příležitost

Vysoké využití zásob přírodního uranu je možné s pomocí rychlých reaktorů. Z hlediska využitelných zásob uranu zvyšuje rychlý reaktor množství získávané energie z tuny uranu o dva řády, a navíc činí ekonomicky dostupnými další zásoby uranu s vyššími náklady na těžbu opět o několik řádů. Vzhledem k „spalování“ vysoce radioaktivních látek, jako je plutonium a další prvky, to navíc znamená snížení radiotoxicity odpadů, zkrácení doby potřebné na jejich izolaci od životního prostředí o několik řádů a významné zvýšení kapacity hlubinného úložiště. Přitom je třeba vést v patrnosti, že k nasazení rychlých reaktorů potřebujeme dostatek plutonia nahromaděného ve vyhořelém palivu lehkovodních reaktorů (pro spuštění rychlého reaktoru je zapotřebí plutonium z 50 let provozu lehkovodního reaktoru stejného výkonu). Z vyhořelého paliva z lehkovodních reaktorů se tak stává vzácná energetická surovina.

ČR má v současné době jedinečnou příležitost posunout a stabilizovat rozvoj své ekonomiky stabilizací energetických zdrojů na svém území a využitím dlouhodobých exportních příležitostí průmyslu. V případě jaderné energetiky to však není možné bez stabilní politické podpory a podpory potřebné infrastruktury, včetně výzkumu a vývoje a neprodleného započetí s výstavbou nových jaderných zdrojů, dokud jsou ještě dostupné dodavatelské kapacity.