Jeden z nejoblíbenějších autorů Billa Gatese, Václav Smil, ve svých knihách a přednáškách označuje jadernou energetiku za „úspěšný neúspěch“. Nepochybně funguje, a v mnoha ohledech je lepší než jiné zdroje. Nikdy se jí ovšem ani zdaleka nepodařilo naplnit naděje, které se do ní vkládaly, především sliby o „příliš levné elektřině“ a zcela bezpečném provozu. Zakladatel Microsoftu své oblíbené autory evidentně neposlouchá ve všem. V roce 2006 totiž pomohl zakládat společnost TerraPower, která vyvíjí právě jaderné reaktory, a od té doby v ní působí jako předseda správní rady. TerraPower během těch let pomalu a postupně rostla a dnes se cítí dostatečně silná, aby své výsledky poslala z laboratoře do světa. V roce 2017 podepsala smlouvu s čínskou China National Nuclear Corp na stavbu prvního experimentálního prototypu svého zařízení. Stavba by měla podle dostupných informací začít v průběhu příštího roku. Reaktor s plánovaným tepelným výkonem 600 MW by mohl být podle těch nejoptimističtějších odhadů hotov snad už v roce 2022. Návrh TerraPower je založen na principu, který společnost „odkoukala“ v bývalém SSSR. Jde o tzv. reaktor s postupnou vlnou, a představa o něm se zrodila v 60. letech díky práci sovětského fyzika Savelije Feinberga. Realizaci se koncept v té době nikdy nepřiblížil. V 90. letech ovšem zaujal velkého propagátora jaderné energetiky a také „otce“ vodíkové bomby Edwarda Tellera, který pro něj dokázal nadchnout další kolegy. Jeden z nich, Lowell Wood, jej nakonec dokázal „prodat“ investiční společnosti Intellectual Ventures, která je matkou TerraPower. Jak to tak bývá, původní návrhy fyziků byly sice elegantní, ale nepraktické. Konstruktéři a inženýři ale (údajně k vlastnímu překvapení) většinu problémů, které v konceptu našli, dokázali během let odstranit. Vytvořili velmi pokročilou simulaci, která údajně přesvědčila i část skeptiků a otevřela možnost k získání dostatečného kapitálu na dokončení návrhu. Na stavbu to nestačilo, ale tuto potíž má vyřešit právě zmiňované partnerství s Čínou. Vy rábíme si palivo za chodu Jak jsme zmínili, hlavní zvláštností projektu je koncepce vlastní jaderné části reaktoru, tedy aktivní zóny. Palivo pro reaktor tvoří pro dnešní komerční reaktory „nestravitelná“ směs obohaceného a ochuzeného uranu. Množství radioaktivního izotopu uranu, tedy uranu 235, je jen malý zlomek celkového množství; řádově desetiny procenta z celkového objemu (standardní úroveň obohacení je kolem 4 %). Zbylý objem paliva tvoří běžný izotop uranu 238, tedy de facto ochuzený uran. Malé množství štěpného materiálu se vkládá do několika přesně určených míst v reaktoru a slouží jako „startér“. Neutrony uvolněné při rozpadu uranu 235 by měly začít měnit ochuzený uran ve své blízkosti v palivo pro další reakci. Uran 238 se totiž po zachycení jednoho neutronu změní na uran 239, který se v řádu minut změní na neptunium (za vzniku beta záření), a potom (za uvolnění další beta částice) na plutonium, které pak slouží jako palivo pro reaktor. Plutonium se totiž po zásahu neutronem rozpadá na další izotopy, přičemž se uvolní také několik neutronů, které celý koloběh udrží v chodu. Původní náplň aktivní zóny reaktoru tak postupně „prohořívá“ jako například vánoční františek, jak se reaktorem postupně šíří vlna štěpných reakcí. Postup má být rovnoměrný, protože by se mělo jednat o tzv. solitonovou vlnu, která se materiálem šíří konstantní rychlostí a nepodléhá disperzi. Celý proces je nesmírně pomalý, a podle projektu TerraPower by palivo mělo vystačit na více než 50 let – a to bez jediné výměny. To by samozřejmě mohla být ohromná provozní i bezpečnostní výhoda. Reaktor by měl také mít podstatně lepší účinnost ve využití energie vloženého paliva (i když stále méně než polovinu), což je argument spíše technický než finanční. Ceny uranu jsou dlouhodobě nízké a nezdá se, že by se to mohlo nějak zásadně měnit. Zajímavější je možná slib, že reaktor by měl produkovat na jednotku vyrobené energie podstatně méně vysoce aktivního jaderného odpadu, který by vyžadoval dlouhodobé uskladnění. Stavba dlouhodobých skladů je technicky jistě možná, ale politicky jde o velmi citlivé téma, k jehož řešení chybí v mnoha zemích vůle. Zmenšit problém v tomto případě tedy rozhodně není na škodu. Sodíková koupel Teplota aktivní zóny má být kolem 550 °C, tedy zhruba o dvě stě stupňů vyšší než u komerčních tlakovodních reaktorů. Teplo slouží k výrobě vodní páry a pohonu turbíny. Samotné chlazení ale nemá obstarávat voda, ta by na daný úkol nestačila. Rychlé reaktory totiž obecně vyžadují účinnější chlazení. Je to důsledek vyšší hustoty štěpení, a tedy vyšší produkce tepla v poměrně malé aktivní zóně. Proto se často experimentovalo s jinými chladivy než vodou běžnou u komerčních lehkovodních reaktorů. TerraPower stejně jako jiné podobné projekty volí k chlazení tekutý sodík. Dodejme ještě, že reaktory chlazené tekutým sodíkem mají většinou dva sodíkové chladicí okruhy, aby se sodík z aktivní zóny, ve kterém se mohou objevovat radioaktivní izotopy, nemohl dostat do dalších částí elektrárny. Teplo turbíně tedy předává až další tepelný okruh, který může být například také sodíkový. Nejčastější typ rychlého reaktoru chlazeného sodíkem včetně projektu Terra- Power je tzv. vanového typu, což znamená, že aktivní zóna je celá ponořena ve velké nádobě vyplněné chladicím tekutým kovem. Použitý sodík musí být velice čistý, aby v něm vznikalo co nejméně radioaktivity. To ovšem není největší potíž tohoto konstrukčního řešení, jak je čtenářům asi jasné. Využití sodíku při chlazení má svá rizika spojená hlavně s bouřlivou reakcí sodíku se vzduchem a vodou. Své by o tom mohli vyprávět provozovatelé japonského experimentálního sodíkového reaktoru Monju, na kterém došlo hned k několika nehodám včetně nepříjemného úniku několika set kilogramů sodíku. Kov se samozřejmě vzňal a vysoké teploty způsobily na zařízení vážné škody. Udržet naprostou těsnost a spolehlivost zařízení po více než 50 let provozu, se kterými TerraPower u finální podoby svého designu údajně počítá, není v případě sodíkového systému tedy rozhodně nic triviálního. Bezpečně zatuhlý Určitou nevýhodou je i možnost trvalého poškození reaktoru při nutné rychlé odstávce. Kdyby bylo zapotřebí reaktor zcela odstavit, kov se ochladí a může zatuhnout. Pak už neexistuje možnost, jak reaktor znovu spustit a je nutná výměna aktivní zóny. To by byla jen těžko ekonomicky ospravedlnitelná oprava. Na druhou stranu, rychlé reaktory mají celou řadu výhod, které s nimi sdílí i projekt firmy TerraPower. Běžný tlakovodní reaktor je velká tlaková nádoba plná vody o teplotách kolem 300 °C a tlaku řádově stokrát vyšším, než je atmosférický. To samozřejmě klade značné nároky na kvalitu výroby, zvláště u jaderného zařízení. Sodíkové reaktory mohou pracovat s mnohem nižšími tlaky. Například velký ruský rychlý sodíkový reaktor BN-800 je údajně možné od běžných reaktorů rozeznat už i poklepem na jeho kovové stěny: znějí jinak, protože jsou podstatně slabší než u klasických tlakovodních reaktorů. Na druhou stranu připomínáme, že postavit systém naplněný tekutým vodíkem, který by měl ideálně fungovat desítky let bez zásahu zvenčí, také rozhodně není nic jednoduchého. Velkou výhodou množivých reaktorů je i to, že v případě nehody by měly být robustnější. Stejně jako u dnešních lehkovodních reaktorů v nich po nehodě samovolně dojde k zastavení štěpné reakce. V reaktoru ovšem dále probíhá rozpad některých radioaktivních prvků, a vzniká tedy teplo. Je ho sice o mnoho méně než při provozu, ale pokud se ho nepodaří odvádět, reaktor se může přehřát. Připomeňme, že ve Fukušimě výpadek chlazení vedl k částečnému roztavení aktivních zón některých postižených reaktorů, i když radioaktivní pevné látky se mimo obal reaktoru nedostaly. Omezené zkušenosti Nevýhodou je i to, že zkušeností s podobnými zařízení je poměrně málo – a ne všechny jsou rozhodně pozitivní. Zmínili jsme japonský Monju, který pracoval jen sporadicky a dnes už míří zřejmě nezvratně do starého železa. Ve Francii byly provozovány v podstatě jen výzkumné reaktory Phénix a Superphénix, které vynikaly mnoha zajímavými parametry, ale rozhodně ne spolehlivostí. V Číně pak je také jeden rychlý sodíkový reaktor, malý CEFR s elektrickým výkonem 20 MW, který měl podle Mezinárodní agentury pro atomovou energii v roce 2011 poměrně vážnou nehodu. Ta ho sice nezničila, ale odstavila na nějakou dobu z provozu. Čínská strana tvrdí, že k žádné takové události nedošlo. CEFR ovšem je čínským projektem jen do určité míry, vznikl ve velmi úzké spolupráci s ruskými dodavateli, kteří s provozem sodíkovým reaktorů mají nejvíce zkušeností, a ze všech producentů také ty nejlepší. Rusko, potažmo bývalý SSSR, je jedinou zemí, kde se tyto reaktory používaly v běžném každodenním provozu výroby tepla i elektřiny. Prvním takovým byl reaktor BN-350, který pracoval do 90. let na pobřeží Kaspického moře. Dodával nakonec do sítě zhruba 150 MW elektrického výkonu, ale jeho hlavním úkolem bylo odsolování mořské vody. Produkoval okolo 120 tisíc tun destilované vody denně. Původní předpokládaná životnost reaktoru do roku 1993 byla prodlužována a spolehlivě pracoval až do roku 1999. Bezprostřední předchůdce reaktoru BN-800, reaktor BN-600, byl spuštěn v první polovině roku 1980, jeho tepelný výkon je 1 470 MW a elektrický pak okolo 600 MW. Po počátečních potížích právě s úniky sodíku podle všech dostupných údajů funguje relativně spolehlivě. Koeficient jeho ročního využití překračuje 70 %, v posledních letech dosahuje až 80 %. To už se blíží požadavkům na profitabilní komerční provoz, byť stále jde o hodnotu o 10 % nižší než u těch nejspolehlivějších komerčních tlakovodních reaktorů. I díky relativně dobrým zkušenostem v Rusku postavili ještě větší BN-800, který je v běžném energetickém provozu od října 2016. V roce 2017 činil koeficient jeho využití něco málo přes 73 %. Musíme ovšem zdůraznit, že BN-800 představuje do značné míry odlišnou kategorii, a z jeho výkonů rozhodně nelze usuzovat na možné výsledky TerraPower. Z hlediska tohoto projektu je ruský reaktor důležitý vlastně jinak: Čína se totiž s Ruskem nedohodla na podmínkách stavby podobného rychlého reaktoru. Údajně především proto, že ruská strana nesouhlasila s převodem duševního vlastnictví v míře, jakou čínský zákazník požadoval. Peking proto rozjíždí vlastní projekt na stavbu rychlých reaktorů. Spolupráce s TerraPower je jedním ze zkoumaných směrů. Jestli nakonec tento přístup uspěje, je ovšem otevřenou otázkou. Jisté je jen to, že neúspěch může být rychlejší než úspěch. Program mohou už v příštích měsících možná zastavit hrozící obchodní spory mezi Čínou a USA, možná se během stavby či spouštění objeví neřešitelné technické potíže, možná bude mít reaktor nakonec nevhodné parametry. Cesta k úspěchu bude zcela určitě trvat desetiletí a výsledek není rozhodně jistý. /jj/
