Poznatky z ICENES 2005

Hlavním cílem konferencí ICENES (International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems) je udržování mezinárodního vědeckého a technického fóra na světové úrovni v oboru pokročilých, inovativních a také nekonvenčních návrhů produkce energie z jádra a jeho využívání. Letos se uskutečnilo již 12. pokračování v termínu od 21. do 26. srpna v Bruselu, pořádané belgickým výzkumným centrem SCK.CEN se sídlem v Molu se sponzorským příspěvkem Evropské nukleární společnosti. Konference se konala na historickém místě, neboť již v roce 1911 se zde byla uspořádána první z fyzikálních konferencí pořádaných belgickým chemikem a průmyslníkem Ernestem Solvayem (1838-1922), kterého se účastnili takové kapacity jako A. Einstein, M. Planck, E. Rutherford, M.Curie a další. Hlavními tématy konference ICENES 2005, na které byla zaměřena jsou pokročilé systémy využívající štěpení, fúzní energetické systémy, systémy poháněné urychlovačem, exotické koncepty, transmutace a palivový cyklus, kogenerační a ne-elektrické aplikace, systémy nových generací a také společenské otázky. Ke každé z těchto tématik byla organizátory konference věnována vlastní sekce.
Úvodní příspěvek přednesl nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1984 Carlo Rubbia, a věnoval jej všeobecnému pohledu na energetiku a její mnohé technické, sociologické a civilizační aspekty, včetně možností jaderné energetiky pomoci při řešení takových otázek, jakými je globální oteplování planety v důsledku produkce CO2. Pro dlouhodobé zajištění dostatečné produkce energie vidí pouze dva zdroje – solární energii, které spotřebováváme pouze jednu desetitisícinu z celkového příkonu na Zem a nové jaderné zdroje, za které považuje systémy založené na bázi přírodního uranu 238U nebo Thoria v případě štěpení a Lithia v případě jaderné fúze. Další zdroje, jakými jsou vítr nebo fotovoltaické články, jsou z hlediska masového rozšíření hendikepované především dvěma faktory – vysokou cenou produkované elektrické energie a nejistotou produkce v relaci ke spotřebě (neprodukují když nefouká či nesvítí). Za asi nejproblematičtější otázku spojenou se současnou jadernou energetikou považuje možnosti poměrně snadného rozšíření technologie obohacování uranu z úrovní užívaných v reaktorech na úrovně využitelné pro výrobu jaderných zbraní, a to v souvislosti se současnou situací v Iránu nebo KLDR. Využití jaderné fúze pro výrobu energie má před sebou zatím stále ještě dlouhou cestu, kterou lze znázornit na následujících krocích. Současný stav představuje fázi fyzikálních testů (např. zařízení JET či JT-60), dalším krokem bude prototypické zařízení ITER, o jehož výstavbě v lokalitě Cadarache (jižní Francie) bylo rozhodnuto v červnu tohoto roku a dokončena by měla být v roce 2015. Po úspěšném zvládnutí této fáze bude následovat demonstrační energetické zařízení, zahájení jehož výstavby se odhaduje na roky 2030 až 2035, a teprve po úspěšné výstavbě a provozu demonstračního bloku by následovalo zahájení masivního využívání. To jsme ale někde za rokem 2050. Navíc z bezpečnostního hlediska ani fúzní reaktory nejsou ještě zcela dořešené, například určitě důležitou otázkou zůstává jak zajistit bezpečné skladování několika kilogramů tritia, které bude pro fúzní reakci jedním z paliv. Pro dořešení těchto technických otázek však zcela jistě zbývá ještě dostatek času.
Sekce věnovaná fúzním energetickým systémům byla prodchnuta odlehčenou atmosférou v důsledku konečného rozhodnutí o lokalitě pro ITER. Toto zařízení je ve fázi dokončování projektu, jež se potýká s problémy především v potřebě zlepšení izolací a zdokonalených materiálů, pro které je asi nejzávažnější otázkou uvolňování vysokoenergetických neutronů (14 MeV). Objem plazmy bude cca. 850 m3 s fúzním výkonem 400-500 MW, ale také potřebou 10 až 90 MW pro vyhřívání v závislosti pracovním cyklu. V porovnání se štěpnými reaktory bude v tomto zařízení produkováno 1,5.10+20 neutronů/sekundu, což odpovídá štěpnému reaktoru o tepelném výkonu 2,2 GW. Trvání jednoho pulzu bude 400 až 500 sekund. První tři roky po uvedení do provozu bude věnováno reakcím čistě vodíkové plazmě, čtvrtý rok plazmě z deuteria a zbytek dvacetiletého období plazmě ze směsi deuterium-tritium. Přes mnohé technické otázky, které zbývá dořešit, je však pohled výzkumné základny v oblasti fúze optimistický, a to velmi, neboť si prognózují, že v roce 2100 bude fúze v energetickému mixu nejvýznamnějším přispěvatelem.
Samostatná část ze sekce věnované fúzi byla zaměřena na tzv. fúzi za studena. Jedna z přednášek se zabývala historickému vývoji postojů k tomuto oboru. První otázkou bylo, zda je Fleichmann-Ponsův experiment z roku 1989 reprodukovatelný, což bylo prokázáno, že ano. Přesto byl postoj některých osobností k těmto výsledkům negativní a ve svých pracích, kde dokazovali, že tomu tak není, použili zcela prokazatelně dat, jež nebyla naměřena. Rozsáhlá rešerše všech výsledků experimentů, provedená specialisty z USA, Itálie a Izraele, prokázala zcela záměrnou manipulaci s výsledky, což v konečném důsledku vedlo k mnohaletému opoždění tohoto vědního oboru. Z fenomenologického pohledu se jedná o reakci dvou jader deuteria s dvěmi možnými produkty s přibližně stejnou výtěžností: proton + tritium nebo neutron + 3He. Reakce však probíhá v tzv. „zhuštěné hmotě“, tj. v podmínkách, pro které platí přirovnání, že plasma je v porovnání s ní jako vakuum. Jak už bylo zmíněno tento obor se opět začíná prosazovat, ale na obecnější závěry o jejím využití si budeme muset ještě dlouho počkat.
Sekce věnovaná exotickým nukleárním konceptům byla zaměřena především na využití jaderných reakcí v kosmu. Zde se jedná o nejrůznější typy pohonů založených na štěpení 242Am (prezentované Italy) nebo ruský systém založený na fotonovém motoru pro lety do vzdálených míst ve vesmíru či založenými na štěpných reakcích. Zatímco italský koncept je stále pouze ve stadiu výzkumu a počátečních testů, Rusové se štěpnými typy motorů TOPAZ a BUK již podnikly 34 letů. Exotické koncepty využitelné pro energetiku přestavovaly pouze teoretické fyzikální návrhy, jakým je např. reaktor CANDLE (což je zkratka pro „Constant Axial Shape of Neutron Flux During Life of Energy Producing Reactor“).
Sekce pokročilých štěpných reaktorů byla zaměřena především na superkritické lehkovodní reaktory, rychlé reaktory chlazené tekutými kovy, solemi nebo plynem. Superkritické reaktory mají v porovnání s klasickými varnými reaktory velikou výhodu v jednodušším zařízení (nepotřebují separátor páry) a tím nižšími investičními náklady, vyšší účinností (prezentovaný koncept měl ohřátí na aktivní zóně 220 °C, což je v porovnání např. s 30 °C u standardních PWR řádový rozdíl), ale také značné nevýhody. Jednookruhové řešení znamená aktivaci turbíny a ostatních komponent, nelze použít rozpustné absorbery, jako například kyselinu boritou, a také robustnější konstrukce vnějších prvků okruhu, jako důsledek vnitřního superkritického tlaku na úrovni 28 MPa. Z konceptů pro vysokoteplotní reaktory, jež jsou opět většinou ve fázi fyzikální návrhů, byl asi nejpropracovanějším ruský projekt BREST založený na palivu ze směsi nitridů uranu a plutonia chlazený roztaveným olovem. Druhým potenciálně dokončitelným projektem je nazván ANTARES, neboť je vyvíjen společností AREVA s jednoznačně definovaným harmonogramem dokončení v roce 2020. Tento koncept je založen na palivu ve formě potažených kuliček, které jsou vloženy do grafitového bloku. Fyzikálně je reaktor navržen s velmi silným negativním teplotním koeficientem reaktivity, což zajišťuje inherentně odstavení reaktoru při překročení provozních teplot, které jsou navrženy pro palivo okolo 1300 °C a chladivo (Helium) na 850 °C na výstupu z aktivní zóny při teplotě vstupu 355 °C. Z předběžných bezpečnostních analýz se ukazuje, že maximální teplota paliva při haváriích dosahuje pouze 1600 °C. Celkový koncept reaktoru je tříokruhový, primární okruh používá helium, sekundární směs dusíku s heliem (v teplotách mezi 300 a 800 °C) a terciální páru. Přepokládaná účinnost je 80 %.
V sekci zaměřené na kogenerační a ne-elektrické aplikace jaderných zdrojů tepla byly prezentovány příspěvky o jednotkách s malými výkony použitelnými pro odsolování mořské vody, produkci vodíku, průmyslovou výrobu lithia nebo hořčíku a pod. Většinou se jednalo o analytické studie optimalizace fyzikálního návrhu reaktoru nebo rozbor ekonomicko-technologické proveditelnosti. Např. pro vysokoteplotní reaktory existují dvě možnosti produkce vodíku – elektrolýzou nebo přímou chemickou interakcí chladiva (tekutá směs kovů Pb-Bi) s vodou, která vede k disociaci molekuly. Stejným způsobem by mohlo být prováděno odsolování mořské vody, pouze s tím rozdílem, že molekula vody nebude disociovat a sůl se vysráží na hladině odkud bude následně odfiltrována. Již z tohoto popisu je patrné, že propracovanost těchto návrhů rozhodně není na úrovni projektové dokumentace. Přesto je nutné poznamenat, že použití ověřených technologií, tj. produkce vodíku elektrolýzou a jeho následné použití v automobilech má celkovou energetickou účinnost pouze 25 %, což znamená, že při výrobě vodíku z jaderných zdrojů bude nezbytné mít pro 1 kW výkonu auta instalovaný výkon 4 kW. Tato nízká účinnost samozřejmě vede k úvahám o jiných způsobech, jedním z nich může být také jódo-síranový cyklus. Studie o tomto cyklu ukazují jednak velmi vysokou komplikovanost potřebného zařízení, které by spotřebovávalo významné množství jódu, potřebovalo značné množství kyseliny sírové a to ve směsi, jejíž teplota je 850 °C, aby se ze směsi uvolňoval kyslík, a následně 450 °C, kdy se uvolňuje vodík. Blok o tepelném výkonu 600 MW by ročně spotřeboval okolo 3000 tun jódu, přičemž současná světová produkce činní 20000 tun. Náročnost na jód není jediným problémem této technologie, ale je doplněna, jako v naprosté většině nových konceptů, problémy s korozí materiálů. Obecně se k vodíkovému hospodářství váže ještě jeden zásadní společenský problém, který je nazýván „syndromem Hindenburg“, což znamená, že v případě malé nehody nebo požáru může dojít k veliké katastrofě, neboť vodík je velmi explozivním plynem.
Transmutacím a palivovému cyklu byla věnována další ze sekcí. Jedním ze společných požadavků pro transmutační technologie je palivo, které nebude obsahovat uran, a to především z důvodu, aby nedocházelo k další tvorbě aktivních štěpných produktů. Většina přednášek obsahovala fyzikální studie nebo ekonomicko-společenský rozbor, podle kterého se předpokládá přepracovávání současného použitého paliva na směsné palivo (MOX – mixed oxides, směs oxidů uranu a plutonia) pro současné štěpné systémy a palivo pro množivé reaktory. Rozbory předpokládají, že někdy okolo roku 2080 by byl v důsledku přepracovávání a rozšíření množivých reaktorů ukončen nárůst množství existujícího vyhořelého paliva a přepracovávání by již převládlo nad jeho „produkcí“.
V sekci zaměřené na urychlovači poháněné podkritické jaderné systémy byly prezentovány výpočty neutronové kinetiky a také představen projekt MYRRHA, který je společným evropským úsilím mnoha institucí a bude sloužit jako evropské experimentální zařízení pro protonové a neutronové výzkumné aplikace.
Nové generaci reaktorů byla věnována samostatná sekce, kde byl rovněž prezentován český koncept SPHINX, který je zatím teoretickou fyzikální studií reaktoru s roztavenými solemi, váže se na něj rozsáhlý experimentální program v ÚJV Řež a je součástí mezinárodního programu „Technology road map for Generation IV“. Podpora výzkumu této problematiky bude experimentálně zajištěna využívání reaktoru LR-0 provozovaném v ÚJV Řež. Dalšími prezentovanými projekty byl např. americký vysokoteplotní heliem chlazený rychlý reaktor, kde jako prozatím otevřená otázka byla zmíněna vhodnost použití karbidu křemíku jako pokrytí a tím účinné bariéry pro zadržení štěpných produktů.
Poslední sekce konference ICENES byla zaměřena na společenské otázky mírového využívání všech možných variant jaderných aplikací pro získávání energie. Kanadský zástupce definoval termín pro proti-jaderné aktivisty ANEMA (Anti-Nuclear Enviromental Movement Activists), kteří většinou operují s 5-ti zásadními „fakty“, jež věcně vyvrátil. Prvním je, že jaderné odpady (vyhořelé palivo) je nevyřešeným hazardem, což není pravda, neboť technologie přepracování je plně zvládnuta a konečná úložiště vysokoaktivních materiálů jsou ve výstavbě např. v USA, Kanadě či Švýcarsku. Druhým argumentem bývá, že cena je vysoká, zde se opírají především o vysoké investiční náklady. Ani to není pravda, neboť např. cena jedné kWh z nového reaktoru typu Candu6 (generace III+) se pohybuje v rozmezí 3-4 centů $. Je ovšem pravdou, že především obstrukce odpůrců jádra mohou způsobit určité navýšení investičních nákladů, např. v důsledku prodlužování výstavby. Třetím argumentem aktivistů bývá nedostatek uranu pro extenzivně rozvinutý provoz JE do konce tohoto století. Což ovšem aktivisté neuvažují, nebo přímo zavrhují, je možnost zavedení thoriového palivového cyklu, rozšíření těžby uranu do lokalit, kde se za minulé ceny těžit nevyplatilo, ale dnes již ano a pod. Současné zásoby uranu se odhadují na více něž sto let extenzivně rozvinuté výroby energie štěpením. Čtvrtým argumentem je zvýšená radioaktivita v okolí jaderných elektráren a riziko jaderných havárií. Úroveň v okolí provozovaných bloků však zůstává hluboko pod úrovní pozadí a vlastním provozem dochází k únikům řádově nižším než např. z uhelných elektráren nebo při dalších průmyslových aktivitách. Bohužel havárie na jaderné elektrárně v Černobylu je stále velkým „pozitivem“ odpůrců, kteří zcela záměrně opomíjejí uvádět reálná fakta o zásadních projektových a tím bezpečnostních odlišnostech lehkovodních reaktorů. Také otázka kultury bezpečnosti v bývalém Sovětském Svazu v době Černobylské nehody byla více než nizoučká a především nekompetentnost a hrubé porušení provozních předpisů operátory umožnily, aby k nehodě došlo. Posledním pátým argumentem je možnost použití, či zneužití, prostředků používaných pro mírové využití jádra pro přípravu jaderné bomby. Zde je tedy potřebné přecházet na technologie, které nebudou potřebovat obohacování a nebudou produkovat plutonium. Podle kanadského zástupce je budování nových reaktorů produkujících plutonium srovnatelné s vývojem nových programů pro šíření počítačových virů. Proti využití jaderných materiálů teroristy rovněž hovoří skutečnosti, že aktivní materiály jsou velmi snadno detekovatelné a kontroly, např. na hraničních přechodech se provádějí. Také napadení jaderného bloku letadlem je nepravděpodobné, neboť tento cíl je velmi malý a konstrukce kontejnmentů bývají dimenzovány na pády letadel. A navíc konvenční terorismus je mnohem jednodušší a dostupnější.
Závěrečné shrnutí konference ICENES 2005 (104 účastníků, 68 prezentací a 24 posterů) konstatuje, že pro štěpné energetické systémy je novou palivovou volbou thoriový cyklus, pro fúzní systémy je dalším důležitým krokem rozhodnutí o výstavbě zařízení ITER, v ne-elektrických aplikacích je pozornost soustředěna na produkci vodíku a odsolování mořské vody. Z přehledu prezentací by se dalo usoudit, že jaderné zdroje energie alternativní k současným štěpným technologiím jsou stále ještě „v plenkách“. Je však nutno poznamenat, že např. v oblasti rychlých vysokoteplotních reaktorů mají jen Rusova již nastřádáno okolo 20 reaktor-roků provozu a americké národní laboratoře zde vůbec neprezentovaly. I z toho se dá usoudit, že přestože existují technické otázky, situace je podstatně optimističtější než by vyplývalo z prostého přehledu konference ICENES 2005.

Jiří Duspiva

zpět na úvodní stránku