Čekání na jadernou fúzi

Prolog

V letech 1960 až 1964 jsem byl studentem Střední průmyslové školy jaderné techniky v Praze, kde jsme řešili jako závěrečné práce komponenty naší první jaderné elektrárny A1 v Jaslovských Bohunicích a jezdili na výzkumnou základnu v Bolevci u Plzně pomáhat při realizaci modelu 1 : 1 reaktorové nádoby vyrobeného v plzeňské Škodovce. Již tehdy nás naši pedagogové z Řeže a ze Škody jaderné strojírenství přesvědčovali, že jaderné štěpení je pouze přechodnou fází využívání jaderných reakcí, protože tím skutečným (bezodpadovým) využitím bude jaderná fúze. A tento neomezený zdroj energie že bude reálný už do dvaceti roků. Oněch dvacet let již proběhlo 3× a horizont dvaceti roků k cíli pořád zůstal.

Jadernou fúzi jako fenomén jsem vybral proto, že vývoj jejího mírového využívání má jisté paralelní aspekty, se kterými pracuje Green Deal. Ten nejpodstatnější shodný aspekt spočívá v tom, že pro odhad úspěšného nasazení jak jaderné fúze, tak využívání energie slunce a větru (což jsou mimochodem jenom produkty fúzních reakcí na naší životadárné hvězdě Slunce) pracujeme s předpokladem, že vyvineme funkční a hromadně nasazovatelné technologie, které dosud existují pouze v laboratořích, a některé ani tam ne. Druhým, neméně významným společným aspektem fúze a OZE (slunce, vítr) je hustota dostupné využívané energie. Na jedné straně (OZE fotovoltaika) jsou to průměrné hodnoty cca 1 kW/m² a na straně fúze (jak si ukážeme dále) jde o hodnoty 100 MW/m², tedy o 5! řádů vyšší. Respektive chceme se na jedné straně uvázat na zdroj energie s velmi nízkou hustotou, navíc ještě závislý na okamžitých stavech přenosu energie ze Slunce na Zemi; a na druhé straně využívat velmi tvrdý zdroj energie o obrovské hustotě. V obou případech se jedná o tepelnou energii.

V tomto prologu jsem se pokusil naznačit svůj osobní názor, že v reálných energetických konceptech nesmíme prosazovat jako všespasitelné ty zdroje, pro které nemáme dostupné a ověřené technologie využívání. Tyto technologie samozřejmě musíme zkoumat a vyvíjet, ale jako nosné součásti energetických koncepcí je můžeme použít až tehdy, když je budeme mít reálně k dispozici. Jinak nás čekají jenom krize a kolapsy. V jedné krizi se navíc již nacházíme. A nyní již vlastní příspěvek k tomu, jak vyplnit v energetice čas, který chybí k naplnění cíle mít dostupnou, spolehlivou a environmentálně přijatelnou energii.

Výzkum a vývoj funkčního fúzního reaktoru

Využití jaderných reakcí (štěpení a fúze) pro zásobování lidstva dostupnou energií započalo s malým posuvem s vojenským využitím této energie. V šedesátých a zejména osmdesátých letech minulého století proto začaly dvě vlny výstavby energetických zdrojů založených na využití štěpné reakce nejprve uranu, následně thoria a plutonia pro energetické účely. Tři havárie – Three Mile Island (USA, 1979), Černobyl (SSSR, 1986) a Fukušima I (Japonsko, 2011) změnily názory na bezpečnost užití jaderné energie; „fukušimská havárie“ vyvolala dokonce zastavení výstavby nových jaderných bloků a v některých zemích i vyhlášení konce využívání jaderné energie (zejména Nizozemsko, Belgie, Švédsko a Německo).

V době havárie Fukušimi I (zemětřesení a následná tsunami) již čtyři roky existoval projekt ITER, jenž má prokázat reálnou možnost využití jaderné fúze, jež je (na rozdíl od jaderného štěpení) označována za jadernou alternativu „čisté a dostupné energie“ téměř bez obtížně odstranitelných radioaktivních jaderných odpadů, které jsou součástí jaderného štěpení. Na výzkum a vývoj funkčního fúzního reaktoru se vydávají v Evropě významně vyšší prostředky (ITER = 20 až 30 mld. eur) než na vývoj a realizaci nové generace jaderných reaktorů, i když jsou v současnosti již Evropskou unií obě technologie považovány za čisté bezemisní – mají přispět ke zmírnění klimatické změny, která na Zemi probíhá. Pro lepší porovnání možností získávání energie z hmoty uvádím obrázek, který popisuje tři využívané (technicky využitelné) alternativy, což jsou:

• energie uvolněné při doplňování ne­úplných drah elektronů při chemických reakcích atomů s kyslíkem (exotermní spalovací reakce);
• jaderné reakce štěpením jader těžkých kovů v jaderných reaktorech;
• nebo slučováním lehkých jader izotopů vodíku na helium ve fúzních reaktorech.

Na obr. 1 jsou uvedeny i další dva ještě účinnější způsoby získávání energie z hmoty, které jsou z hlediska využití odkazovány do oblasti sci-fi. Chceme-li porovnat energii uvolněnou na jednotku hmoty (jeden nukleon), podívejme se na rozdíl uvolněných vazebných energií při štěpné a fúzní reakci, jak jsou uvedeny v publi­kaci pracovníků Ústavu fyziky plazmatu AV ČR o budovaném fúzním reaktoru ITER (obr. 2).

Překážky

Právě ona řádově vyšší měrná energie, která se uvolňuje při fúzní reakci, je překážkou, kterou jsme stále ještě nezdolali. Fúzní reakce je nejlépe udržitelná při teplotě 163 mil. K (obr. 3). Plazmu s tak vysokou teplotou umíme udržet jenom v magnetickém poli. Na obr. 4a, b jsou dvě principiální řešení magnetického pole. Odvod tepla z vlastního fúzního reaktoru se jeví jako vyřešený. Tepelný tok do stěny raktoru se pohybuje mezi 0,5 až 7 MW/m². Takové tepelné toky zvládnout umíme. Ovšem z fúzního reaktoru se musí odvádět helium, které je produktem fúzní reakce. To se odvádí tzv. divertorem (obr. 6). Tady je nutno překonat další překážku. Tepelný tok v oblasti wolframového terče dosahuje hodnot až 150 MW/m2. Na speciálních materiálech a chlazení divertoru se usilovně pracuje. Pro lepší srovnání si opět musíme uvědomit, že sluneční záření dopadá u nás na zemi s maximálním tepelným tokem cca 1,1 kW/m² a u fúze řešíme problém o 5! řádů větší. Zařízení ITER, které by mělo v roce 2030 až 2035 produkovat energii z fúzní reakce, bude vypadat následně (obr. 7). Toto zařízení však nebude producentem energie, to má být až projekt DEMO s cílem spuštění v letech 2040 až 2050.

Současnost

Na fúzi pro příštích několik desetiletí tedy můžeme zapomenout a musíme se věnovat syrové současnosti, kdy se Evropská unie snaží řadou restriktivních opatření vytlačit tzv. fosilní zdroje (pro Českou republiku se jedná především o uhlí a v horizontu cca pěti let také o zemní plyn) z portfolia opatřování elektřiny a tepla – dvou základních atributů dnešní společnosti s vysokým standardem života a rozvinutou průmyslovou výrobou. V období příštího desetiletí by podle proklamovaných cílů Evropské unie mělo skončit využívání uhlí a zřejmě také přírodního zemního plynu, protože Německo odmítá uzavírat dohody o dodávkách plynu delší než pět roků. Pokusím se ukázat, co by takový vývoj znamenal pro Českou republiku. Pro zjednodušení se podíváme na budoucí potřeby elektrické energie a možnosti jejího pokrytí v základním scénáři – tedy s pokrytím potřeb domácími zdroji. Podotýkám, že tento scénář samozřejmě neznamená, že nevyužíváme kooperace s našimi sousedy (podle potřeb a možností elektřinu vyvážíme a dovážíme, ale vzájemná bilance se sousedy je přibližně vyrovnaná).

Prvním základním ukazatelem pro posouzení schopností české energetiky je pokrytí celkové roční spotřeby energie a předpoklady vývoje této spotřeby. Pro demonstraci použiji podklady z oficiálního dokumentu organizace, která má bilanci výroby a spotřeby elektrické energie v ČR ve své náplni, a tou je Česká přenosová soustava a.s. (ČEPS). V jejím oficiálním dokumentu Hodnocení zdrojové přiměřenosti ES ČR do roku 2040 najdeme dva grafy (obr. 9, 10), které nám možné alternativy vývoje spotřeby elektrické energie ukáží. První graf pouze popisuje dva scénáře, které z předchozího vývoje spotřeby elektrické energie predikují buď tzv. konzervativní vývoj (tzn. přírůstek spotřeby elektrické energie do 1 % ročně, což obvykle připouštějí neziskové environmentální organizace jako Duha nebo Greenpeace jako maximum), nebo vývoj progresivní, který znamená nárůst spotřeby elektrické energie výrazně vyšší. Z čeho vyvozuje ČEPS vysoký nárůst spotřeby, ukazuje druhý graf na obr. 9.

Nárůst spotřeby tato renomovaná organizace vidí jednak v růstu instalací tepelných čerpadel, jednak v nárůstu čisté elektromobility. Obě aktivity jsou prioritami EU a pokud se tyto priority nezmění, je předpoklad nárůstu spotřeby elektrické energie zcela oprávněný. Třetí faktor nárůstu spotřeby elektrické energie je nejmenší, ale v žádném případě není zanedbatelný. Jedná se o spotřebu prosumerů, tedy jedinců, kteří jsou současně výrobci i spotřebiteli. Názorně rozdíl mezi spotřebitelem a prosumerem ukazuje obr. 10. Jsou to tedy např. všichni občané, kteří si instalovali na vlastní střechu fotovoltaické panely, aby snížili svou závislost na dodávkách z veřejné sítě. Zjednodušeně je možno říci, že prosumeři jsou ti, kteří budou tvořit tzv. „komunitní energetiku“, kterou propagují výše zmíněné environmentální organizace jako lék na likvidaci fosilní energetiky. Z predikce ČEPSu je zřejmé, že komunitní energetika bude tlumit rychlejší nárůst spotřeby elektrické energie, ale ve výsledku je jen dalším spotřebitelem z celého koláče potřeby elektrické energie zajišťované tzv. centrálními zdroji neboli z veřejné sítě.

Konzervativní scénář předpokládá nárůst spotřeby elektrické energie včetně ztrát v sítích o cca 25 % za dvacet roků, kdežto progresivní scénář o 50 %. Z tohoto pohledu vývoje náš současný čistý export ve výši cca 13 % z celkové produkce elektřiny není žádnou zázračnou rezervou a nevydrží nám při současném vývoji ani příštích pět až šest let. Pochopitelně za předpokladu, že bude fungovat český průmysl, který se (samozřejmě vzhledem k současné energetické krizi a možnému nedostatku plynu) navíc také elektrifikuje! Za oněch příštích pět až šest roků žádné nové Dukovany nebo Temelín totiž nepostavíme.

Další úvahy nad budoucností energetiky České republiky budu uvádět ze dvou zcela odlišných hledisek. U toho prvního záleží na tom, kolik elektrické energie jsme schopni vyrobit současným a modelově budoucím složením zdrojů elektrické energie v soustavě. Podle tohoto hlediska argumentují představitelé environmentálních neziskových organizací a různých sdružení pro „obnovitelné zdroje“, kterými chtějí potřeby ČR zajistit. U druhého hlediska jde o to, jaký výkon elektrické soustavy v ČR potřebujeme v každém konkrétním okamžiku pro zajištění spotřeby elektrické energie tak, aby nemusely být spotřebiče (průmysl, domácnosti, doprava atd.) omezovány nebo dokonce odstavovány, aby nedošlo k jevu označovanému jako „blackout“ – tedy k rozpadu energetické soustavy. Druhé hledisko nastiňuje skutečné provozování elektrické sítě, nikoliv zbožná přání. Především pak respektuje zajištění produkce energie vzhledem k nejistotě obnovitelných zdrojů elektrické energie (především slunce a vítr), které jsou podmíněny konkrétními přírodními cykly a vývojem počasí v průběhu celého roku. Všechny další úvahy o výkonnosti a disponibilitě zdrojů jsou odvozovány z oficiálních statistik, jež poskytuje z národních databází Energetický regulační úřad – ERÚ. Uváděné grafy (obr. 11 až 14) jsou analýzou dat z roku 2021. První graf na obr. 11 názorně ukazuje výrobu elektřiny v jednotlivých měsících roku 2021 v GWh.

V červnu a červenci dosahuje měsíční produkce fotovoltaiky až 300 GWh. Kdybychom instalovali dalších cca 8 000 MWpeak FV panelů, mohli bychom na tyto dva měsíce vytěsnit uhlí. To je však asi tak všechno, co bychom získali za cca 32 mld. Kč investovaných do FV panelů a k tomu už je třeba připočíst „pouze“ bateriové úložiště o kapacitě cca 21 000 MWh za cenu 170 mld. Kč (zařízení Tesla Megapack). Po zbytek roku se tak zase vracíme k uhlí, i když o něco méně. V uvedeném případě však stále hovoříme o produkci elektrické energie, nikoliv o dodržení potřebného výkonu. Pro další úvahu o nahraditelnosti uhlí zdroji OZE (fotovoltaika a energie větru) si ukážeme graf pokrytí průměrného měsíčního výkonu podle zdrojů v roce 2021 (obr. 12). Ve stejných letních měsících (červen a červenec) zajišťuje uhlí cca 3,5 GW výkonu a ve stejných měsících současná FVE a větrné turbíny dohromady 0,45 GW výkonu. Znamená to, že pětinásobkem současných FVE a VTE elektráren sice vytěsníme vyrobenou elektrickou energií uhlí ve dvou letních měsících, ale potřebný výkon nezajistíme. Právě v tomto bodě nastává problém, který environmentální (zelení) optimisté nechtějí vidět. Názorně nepokrytí výkonu uvidíme na grafu znázorňujícím průměrné pokrytí jednotlivých měsíců roku 2021 jadernými a parními elektrárnami + pětinásobek současného instalovaného výkonu FVE a VTE (obr. 13). Nedostatečnost obou zdrojů OZE na to, aby vytěsnily uhlí, je zjevná. Ani pro dva nejvýhodnější měsíce v roce nám pětinásobek současných FVE a VTE nestačí – součet šedého a žlutého sloupce (FVE a VTE) oranžový sloupec (PE) nenahradí! Ostatní měsíce roku snad netřeba komentovat.

Zastánci přechodu od uhlí na OZE obvykle argumentují úspěšnými zahraničními i některými domácími projekty tzv. „komunitní = komunální energetiky“. Aniž bych zpochybňoval lokální možnosti komunitní energetiky, která předvádí demonstrační projekty z bohatých dotací, chci uvést zcela legitimní argumenty, proč naši energetiku tato komunitní energetika nezachrání. Ten první už jsem uvedl – komunitní energetika je prosumer neboli vyrábí, ale také spotřebovává. Spotřebovávat může jen z centrální regulované soustavy, která potřebuje stabilní a zajištěné zdroje. Druhý argument je mnohem významnější. Podíváme se, jak se na spotřebě elektrické energie podílejí jednotlivé sektory našeho hospodářství (obr. 14). Komunitní energetikou založenou na volatilních (nestabilních) zdrojích FVE a VTE nelze pokrýt minimálně 60 % spotřeby, kterou představuje průmysl, energetika, kritické prvky infrastruktury (zdravotnictví, doprava) a významný podíl městských domácností, jež na komunitní energetiku nedosáhnou a musí být zásobovány ze stabilních zajištěných zdrojů. Takto lze v podmínkách České republiky docela spolehlivě ohodnotit reálné možnosti komunitní energetiky a zdrojů založených na FVE a VTE. Samozřejmě že takový rozsah elektroenergetiky založený na obnovitelných zdrojích FVE a VTE bude muset pracovat i s ukládáním energie. Na krátký časový interval situaci zvládnou bateriová úložiště. Kolik jich lze reálně postavit a ekonomicky provozovat, dnes nelze příliš odhadnout. ČEPS ve svých modelech uvažoval pohotový výkon bateriových úložišť v úrovni jednoho dukovanského bloku (500 MW), což znamená úložiště s kapacitou cca 1 300 MWh. Vzhledem k tomu, že současné špičkové modulární jednotky mají kapacitu cca 3 MWh, je i toto číslo velmi odvážné.

Pro delší skladování se ukazuje jako nejzajímavější skladovací médium vodík. I ten má však řadu úskalí, která jsou zatím vyřešena pouze pro dopravní aplikace s tlakovým zásobníkem vodíku. Při větším rozšíření vozidel na vodík s vysokým stlačením plynu nemusí v husté dopravě a při potenciálních komplikovaných haváriích představovat až tak bezpečný element. Je to ale problém řešitelný. Nás však zajímá uložení vodíku a jeho použití k výrobě elektrické energie v paroplynových elektrárnách v období, kdy FVE poskytují zanedbatelný použitelný výkon. Klasickou transformační řadu – tj. výroba vodíku z OZE, uložení, transport, zpětná transformace – ukazuje obr. 15, kde jsou uváděny potenciální špičkové účinnosti těchto kroků.

Velmi zjednodušeně můžeme říci, že pro získání 1 kWh s uložením energie do vodíku musíme vyrobit obnovitelnými zdroji 3 kWh! Pro elektřinu s dlouhodobým uložením jí potřebujeme vyrobit 3× více než pro přímou spotřebu. Navíc na 1 kg vodíku musíme upravit 9 kg demineralizované vody – energie na tuto operaci v bilanci není. Optimisté namítnou, že přece zemědělci vyrobí bioplyn, ten metanizují a máme zelený metan. Ano, bioplynu již nyní vyrábíme tolik, že elektřina z bioplynových stanic pokrývá 3 % ze současné produkce elektřiny. Pokud tento plyn budeme metanizovat a používat v dopravě, budou tato 3 % současné produkce elektřiny chybět. Pro lepší představu o náročnosti výroby bioplynu na zemědělskou produkci pro jeho výrobu uvádím schéma vzájemné provázanosti zemědělské produkce a kogenerační výroby elektřiny v bioplynové stanici tak, jak jsem toto téma prezentoval na konferenci Udržitelnost automobilového průmyslu v Mladé Boleslavi již v září 2009. Od té doby samozřejmě došlo u vlastní technologie k řadě technických inovací, ale podstata využívání biomasy pro produkci bioplynu se nezměnila (obr. 16). Na zajištění výkonu 1 MWe v trvání 6 500 hod. je třeba 500 ha kukuřice nebo 1 500 ha trávy. Jeden temelínský reaktor tedy nahradí pěstovaná biomasa z více než půl milionu hektaru orné půdy. To představuje výměru vyšší, než je tzv. potravinová rezerva.

Ze všech úvah a propočtů, které jsem uvedl, vyplývá poměrně srozumitelný závěr. Dokud nepostavíme minimálně jeden (lépe dva) jaderné bloky, těžko se můžeme loučit s ­uhlím bez fatálních následků. Ani ne­omezená pole FVE a VTE nás nezachrání, což právě na vlastní kůži zakouší Německo. Jeho ­uhlíková stopa, když nefouká a nesvítí, je na obr. 17. Jaderná energetika může velmi efektivně nahradit stabilní fosilní zdroje, dokonce může být i producentem „růžového“ vodíku. Není sice zelený, ale už také přijatelný. Bohužel velké jaderné bloky (o výkonu 1 200 až 1 600 MWe) se obtížně umísťují, stavební a licenční řízení je velmi zdlouhavé a staví se pomalu. V zadání současného tendru na Dukovany II a další jaderné bloky v Temelíně se předpokládá spuštění prvního bloku v roce 2036. Tento termín je přitom velmi nejistý. Z toho důvodu se mezi obecnou i jadernou veřejností rozšířila zvěst o tom, že situaci vyřeší malé reaktory (SMR – small modular reactors). Ano, modulární reaktory jsou zajímavým artiklem – jedná se o různé navrhované typy reaktorů do maximálního elektrického výkonu 300 MW. Nápad na malé nezávislé jednotky vznikl v armádě, kde malé modulární reaktory používá námořnictvo (ponorky, letadlové lodě) a v námořním sektoru také velké speciální lodě – ledoborce. První jaderný zdroj složený na bázi tří ponorkových reaktorů proto vyplul jako lodní zdroj (chlazení zajišťuje mořská voda) v Rusku. O tom, že by se mělo jednat o laciný zdroj, jsem se nikde nedočetl. Toto řešení je však vhodné pro odlehlé oblasti, obtížně zásobovatelné jinými spolehlivými energetickými zdroji. Z toho důvodu prvním uživatelem „západního“ SMR bude zřejmě Kanada, kde si tento zdroj objednal podnik Ontario Hydro pro velmi odlehlou oblast provincie New Brunswick od společnosti Rolls-Royce s označením ARC-100.

Konceptů jaderných zdrojů typu SMR je na desítky. Ke komerčnímu řešení je zřejmě blízko americký NuScale, který je téměř klasickým konceptem lehkovodního reaktoru, avšak s malým výkonem 50–80 MW. V tomto článku nemohu podrobně vyjmenovávat oněch několik desítek navrhovaných koncepcí. Poukazuji však na graf, který shrnuje obecně oblast konstrukce jaderných reaktorů. V nadpisu obrázku je sdělení, které srozumitelně říká, že rovněž u malých reaktorů (SMR) je dobré začínat se známými a osvědčenými koncepcemi a až po zvládnutí těchto technologií pokračovat dále – třeba k vysokoteplotním reaktorům, které by se velmi hodily pro průmyslové aplikace. Osvědčené aplikace jsou zakroužkovány zcela nalevo a ve spodní části grafu (obr. 18). Pro názornost uvádím představu, jak měl vypadat SMR určený pro armádu, respektive pro vojenské základny (obr. 19). Realizace pro energetický sektor by mohly vypadat výrazně jinak. Vycházejí z koncepce výstavby většího energetického zdroje složeného z modulů – jednotlivých SMR. Tato koncepce umožňuje průmyslo­vou produkci standardních jednotek ve výrobním závodě, které se na místo dopravují jako komplet. Výměna paliva se provádí výměnou celé jednotky (jeden SMR modul), a to opět ve výrobním závodě. Umožňuje to standardizaci a zjednodušení výstavby, provozování i servisu takového zdroje. Tato koncepce má samozřejmě i své nevýhody (toto téma by vhodně pojednal specializovaný článek o SMR). Nechci končit úvahu o energetice bez trochy optimismu. Ačkoliv to environmentálním aktivistům nestačí, je třeba říci, že za posledních deset let Česká republika v oblasti obnovitelných zdrojů ušla docela významný kus cesty. Jako poslední obrázek proto uvádím souhrnné údaje týkající se elektřiny, tepla i technologií (obr. 21).

Pozn. redakce: V této souvislosti stojí za pozornost rovněž článek ze Stavebnictví č. 10/2017 ITER projekt – základové konštrukcie podpierajúce TOKAMAK od Ing. Jána Laca, PhD., CEng MICE.

Celý článek naleznete v archivu čísel 01-02/23.