Je nesporné, že jaderná energetika vzbuzuje ve společnosti nemalé obavy.
Zamysleme na chvíli nad reálností těchto obav a nad možnými alternativami
jaderné energetiky.
Strach z jaderných elektráren má spíše psychologickou než faktickou
příčinu. Ionizující záření je lidskými smysly nepostižitelné a může na
lidské zdraví působit i velmi dlouho po ozáření. Proto budí tajemnou hrůzu
z nepoznaného a zákeřného nebezpečí. Ne zcela právem. Ionizující záření
patří totiž k pozemskému životu neoddělitelně jako déšť či vítr. V dávné
minulosti byla úroveň radiace na Zemi dokonce podstatně vyšší než dnes,
doprovázela celý vývoj života na Zemi.
Ionizující záření kolem nás
Přirozené pozadí radiace pochází z vesmíru i pozemských zdrojů a jeho
úroveň je v různých místech Země velmi rozdílná. Kosmické záření je absorbováno
v atmosféře a proto jeho intenzita roste s nadmořskou výškou tak, že ve
výšce 3 000 metrů nad mořem dosahuje celkové přirozené pozadí téměř dvojnásobku
přímořské úrovně. Některé národy nebo skupiny obyvatel proto po tisíciletí
žily a budou žít pod podstatně vyšší radiační zátěží, kterou není možné
nijak potlačit.
Přírodní zdroje ionizujícího záření člověk rozšířil o následující:
· rentgenová a radioizotopová lékařská vyšetření a terapie;
· atmosférické zkoušky jaderných zbraní (v menší míře i podzemní a
podmořské);
· jaderné elektrárny s celým palivovým cyklem (výroba paliva a zpracování
odpadu);
· některé spotřební výrobky (barevná televize, barviva).
· stavební materiály.
Přehled ročních dávek z některých zdrojů záření:
1 Vysoká úroveň přirozeného pozadí je způsobena ložisky
thoriové rudy – monazitu. Tyto oblasti využívají turisté, aby se ”prohřáli
blahodárnou radioaktivitou”!
Z tabulky je zřejmé, že vliv jaderných elektráren na radiační zatížení
člověka je velmi malý. Mnohem větší význam má to, žijeme-li v nížině nebo
na horách, v dřevěném nebo kamenném domě, či jak často létáme letadlem.
Riziko
Žádný konstruktér nemůže zajistit stoprocentní bezpečnost jaderné elektrárny,
ale ani bezpečnost automobilu nebo letadla. Nikdy nelze vyloučit selhání
člověka – obsluhy jaderné elektrárny nebo řidiče autobusu. Nikdo vám s
jistotou nezaručí, že se zítra bezpečně dopravíte do práce, dokonce ani
to, že ve zdraví dočtete tento článek. Každý den, po celý život jsme nuceni
podstupovat různá rizika – zbytečná se můžeme pokusit potlačit nebo vyloučit,
ale s nutnými riziky musíme žít. Rozvoj civilizace některá rizika snižuje
a jiná zvyšuje. Nyní nám například mnohem méně hrozí napadení medvědem,
ale může nás porazit autobus. Nemá tedy žádný smysl požadovat, aby některá
lidská činnost byla bezpečná na sto procent. Je ovšem třeba znát míru rizika
a hledat alternativy, jak se vyvarovat příliš riskantního podnikání.
V další tabulce jsou uvedeny některé lidské činnosti s pravděpodobnosti
úmrtí rovné jedné milióntině. Je z ní patrno, že člověk si často a dobrovolně
zahrává s nebezpečím mnohem víc, než když staví jaderné elektrárny.
I když pod tíhou těchto čísel se obava z jaderných elektráren jeví
zcela neopodstatněnou, je přesto v široké veřejnosti reálná. Člověk mnohdy
vnímá riziko velmi zkresleně. Například kouření je zcela jednoznačně dominantní
mezi příčinami smrti, jimž lze předcházet, avšak často mají lidé obavu
z důvodů mnohem méně významných.
Jaderné odpady
Část veřejnosti, i když akceptuje provoz jaderných elektráren, bývá
přesto zneklidněna jadernými odpady. Je morální zanechat našim potomkům
starost o potenciálně nebezpečné látky? Možná, že není, ale tím, že se
z těchto důvodů zřekneme jaderné energetiky, své svědomí neočistíme. Nějak
energii vyrábět musíme a každý způsob je zdrojem větší či menší zátěže
pro životní prostředí. Lidstvo v každém případě odkáže svým potomkům vážné
problémy: vyčerpané zásoby fosilních paliv, pozměněné složení zemské atmosféry,
znečištění vod, nesmírné množství odpadu z průmyslu a domácností… Není
vyloučeno, že současná činnost člověka povede v blízké době ke globální
celoplanetární katastrofě. Jaderná energetika s nulovou emisí oxidu uhličitého
a nepatrným objemem odpadů patří k nejčistším zdrojům elektrické energie.
V tabulce 4 je srovnání odpadu z roční produkce uhelné a jaderné elektrárny
o výkonu 1 000 MW ([3], všechny údaje jsou v tunách).
Je pravda, že odpadům z jaderných elektráren je nutno věnovat značnou
pozornost a zajistit bezpečné uložení po velmi dlouhou dobu. Nejvíce nebezpečné
jsou vysoce aktivní odpady, které je nutné několik let po vynětí z reaktoru
skladovat ve vodních bazénech. Stále probíhající rozpad radioaktivních
produktů štěpení je zdrojem značného tepla, které je třeba vodou odvést.
Na druhé straně vysoce aktivní odpady jsou látky s krátkým poločasem rozpadu
(např. 137Cs, 90Sr s poločasem rozpadu asi 30 let),
a proto jejich aktivita rychle klesá. Za 500–1 000 let je aktivita těchto
odpadů shodná s aktivitou vytěžené uranové rudy, ze které bylo dané palivo
pro jadernou elektrárnu vyrobeno [5]. Při žádné myslitelné katastrofě,
spojené s jejich obnažením, by obyvatelstvo Země nebylo vážně ohroženo.
Za 10 000 let bude celková aktivita všech (i nízko aktivních) jaderných
odpadů rovna aktivitě původní rudy. S trochou nadsázky můžeme říci, že
jaderná energetika je bezodpadovou technologií s relaxační dobou cca 10
000 let. Přitom předpokládaná životnost kontejnerů pro radioaktivní odpad
je 1 milion let a zdržná schopnost hlubinného úložiště ve vhodné geologické
lokalitě se odhaduje na 70 milionů let. Existuje některý jiný obor lidské
činnosti, který by zvažoval možné negativní důsledky v časovém horizontu
statisíce let?
Alternativy
Před tím, než definitivně přijmeme nebo odmítneme jadernou energetiku,
musíme posoudit jiné možnosti výroby energie.
Tepelné elektrárny se spalovacím procesem
Tímto způsobem se v současnosti ve světě vyrábí asi 65 % elektrické
energie. Nejčastěji se spaluje uhlí, méně časté, i když ekologicky šetrnější,
je spalování zemního plynu a ropy. Odsíření a filtrace zplodin hoření provoz
elektráren velmi prodražuje, žádným procesem nelze snížit emise CO2. Ropa
a zemní plyn jsou navíc mimořádně významné suroviny pro chemický průmysl.
Účinnost výroby elektrické energie parními turbínami je jen o málo vyšší
než 30%, proto více než 60 % tepelné energie musí být rozptýleno do okolního
prostředí. Omezení je principiální a je dáno účinností Carnotova cyklu.
Ve využití fosilních paliv tedy existuje značná rezerva, kterou můžeme
částečně zhodnotit účelnou kombinací výroby elektrické energie a tepla
pro zimní vytápění a ohřev užitkové vody. To lze zařídit buď přímo využitím
odpadního tepla z elektráren nebo doplněním výtopen o turbíny a alternátory.
Stejný problém, a tedy stejnou šanci, mají i jaderné elektrárny.
Vodní elektrárny
Vodní elektrárny jsou jistou alternativou k tepelným elektrárnám, i
když jejich nasazení je omezeno přírodními podmínkami. Příkladem může být
Rakousko, které vyrábí ve vodních elektrárnách většinu elektrické energie.
Mezi všemi zdroji energie jsou unikátní výjimkou velké přečerpávací elektrárny,
které umožňují jednoduchou, efektivní a ekologicky čistou akumulaci energie.
Dopad těchto vodních děl na přírodu ale není zanedbatelný (vzpomeňme na
vodní dílo Gabčíkovo-Nagymaros).
Značné naděje jsou vkládány do tzv. malých vodních elektráren. V České
republice však jejich potenciál není významný. Pokusme se o jednoduchý
odhad. Voda téměř z celého území Čech odtéká řekou Labe u Děčína. Její
průměrný průtok Q je přibližně roven 300 m3. s-1
Jakou energii nám tato voda může poskytnout? Odtéká-li z Čech za každou
sekundu voda o objemu Q, musí, ve střední hodnotě, za stejný čas toto množství
napršet a odtéci do řek. Za předpokladu, že srážky jsou na celém území
stejně vydatné, můžeme využitelnou potenciální energii vody, která naprší
v Čechách za čas t, spočítat jako
Kde r je hustota vody, g tíhové zrychlení
a <h> je střední hodnota převýšení zemského povrchu nad nejnižším bodem
Čech – Děčínem (symbolem < > budeme i dále označovat střední hodnotu).
Je-li průměrná nadmořská výška Čech odhadem 550 m n. m. a nadmořská výška
Děčína 150 m n. m., můžeme přibližně psát <h> = 400 m.
Maximální výkon, který mohou vodní toky na území Čech poskytnout, je
ve střední hodnotě roven
Po dosazení dostaneme <P> = 300 m3s-1 . 1000 kgm-3
. 10 ms-2 . 400 m = 1200 MW.
To je ale čistě teoretická hodnota, která předpokládá 100% využití každého
potůčku a horské bystřiny. Reálně jsme schopni využít jen zlomek této hodnoty,
řekněme 10–20 %. Navíc jsme nevzali v úvahu účinnost přeměny mechanické
energie na elektrickou (v malých vodních elektrárnách asi 70 %) a na druhé
straně i fakt, že na horách (tedy ve větší nadmořské výšce) jsou srážky
častější. Překvapivě je tento náš hrubý odhad – 100–200 MW – výkonu v dobré
shodě s kvalifikovaným odhadem českého potenciálu malých vodních elektráren
– 1 600 GWh/rok [6], tedy v průměru 180 MW trvalého výkonu. To je velmi
malá hodnota, méně než 2 % potřeby České republiky. Malé vodní elektrárny
mohou tedy být pouze lokální výpomocí. Nic víc.
Větrné elektrárny
Pohybuje-li se objem V vzduchu rychlostí v, je jeho kinetická energie
rovna kde r je hustota vzduchu.
Postavíme-li proudícímu vzduchu kolmo do cesty plochu S (například
plochu, kterou opisuje rotor vrtule), projde touto plochou za čas t objem
vzduchu
Pokud bychom dokázali využít všechnu kinetickou energii vzduchu, byl
by výkon větru proudícího plochou S dán vztahem
přičemž jsme předpokládali, že plocha S má tvar kruhu s průměrem d.
Reálná účinnost vrtule je za ideálních podmínek rovna 40 %, a tedy například
vrtule s průměrem 50 m bude mít při rychlosti větru 5 m.s-1
(průměrná rychlost větru v ČR) výkon asi 60 kW. Abychom takto nahradili
jediný blok jaderné elektrárny Temelín, potřebovali bychom postavit téměř
17 000 elektráren této velikosti. Pro názornou představu: kdybychom na
celém území ČR rozmístili tyto elektrárny rovnoměrně do čtvercové sítě,
byla by hrana čtverce dlouhá asi 2 km.
Nutno dodat, že jsme se při výpočtu dopustili jisté nepřesnosti. Nelze
počítat střední výkon větrných elektráren ze střední hodnoty rychlosti
větru. Neplatí totiž, že <v>3 je rovno<v3>.
Pro přesnější výpočet bychom museli znát časové i místní rozdělení rychlosti
větru v ČR v průběhu celého roku. V místech, kde je průměrná rychlost větru
vysoká, mohou být větrné elektrárny o něco efektivnější.
Sluneční elektrárny
Na hranici atmosféry Země dopadá ze Slunce intenzita záření 1300 W.m-2
(solární konstanta). Pokud uvážíme absorpci záření v atmosféře, střední
počet slunečních dnů v roce a zeměpisnou šířku ČR, zjistíme, že ročně dopadá
na 1 m2 vodorovné plochy v průměru 1 000 kWh solární energie.
Pokud použijeme sluneční kolektory jen pro ohřev vody, je účinnost poměrně
vysoká: až 80 %, při výrobě elektrické energie se však prudce snižuje.
Budeme-li slunečním zářením vyrábět páru pro pohon turbogenerátorů, dosáhneme
účinnosti asi 30 %, podobně jako v tepelných elektrárnách. Při přímé přeměně
záření na elektrickou energii s využitím fotovoltaického jevu (tzv. fotočlánky),
bude účinnost jen 15 %. Abychom pomocí slunečních elektráren vyrobili tolik
elektrické energie, jako jeden 1 000MW blok jaderné elektrárny, museli
bychom parní elektrárnu zásobovat teplem z plochy téměř 30 km2.
Při použití fotočlánků by nutná plocha byla dvojnásobná. Nasazení fotočlánků
k velkovýrobě elektrické energie je ovšem zcela nepřijatelné. Nejen pro
devastaci rozsáhlé plochy a nesmírnou cenu, ale, paradoxně, také pro velké
ekologické zatížení přírody spojené s výrobou polovodičů
Slunce a vítr jako zdroj energie mají ještě jednu velkou společnou nevýhodu
– nerovnoměrnost. Například sluneční kolektor nám poskytne 75 % energie
od dubna do září a jen 25 % od října do března. V noci slunce nesvítí vůbec.
Právě nerovnoměrnost výkonu za současného stavu techniky zcela vylučuje
využití energie slunce a větru ve velkém měřítku. Skladování velkého množství
energie by bylo velmi drahé a neekologické.
To ovšem neznamená, že nelze najít oblasti, kde se alternativní zdroje
mohou skutečně uplatnit. Velmi slibné je použití malých slunečních kolektorů
na ohřev užitkové teplé vody pro domácnost. Kolektor s plochou cca 6 m2
a akumulační nádobou je schopen více než šest měsíců v roce téměř úplně
krýt spotřebu teplé vody rodinného domku. Cena těchto zařízení je v současné
době taková, že zajistí rozumnou návratnost investic a může být atraktivní
pro každého majitele rodinného domu [7].
I přes důslednou snahu využívat obnovitelných zdrojů energie budeme
vždy potřebovat výkonný, spolehlivý, relativně bezpečný a kontinuálně pracující
zdroj elektrické energie, který co nejméně naruší ekosystém naší planety.
V současnosti je jaderná energetika jediná dobrá volba.
Při psaní jsem velmi významně čerpal z textu „Jaderná energetika:
rizika a alternativy“ Doc. RNDr. Zdeňka Bochníčka, Dr., publikovaném v
časopise Školská fyzika (ročník 2006). Doc. Bochníček je vedoucím Katedry
obecné fyziky Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Zabývá
se výukou studentů fyziky, výzkumem v oblasti kondenzovaných látek (např.
difraktometrií povrchů), ale také publikační činností a osvětou. Patří
k nejvýraznějším a nejaktivnějším osobnostem ve svém oboru, snaží se pozvedávat
vědomostní úroveň – nejen svých studentů, ale i všech ostatních, kteří
o to mají zájem – v oblastech všeobecných předsudků a bludů, které vtloukají
lidem do hlavy politici, novináři a jiní chytráci a k nimž má fyzik co
říci. Již mnoho let se, jakožto člověk milující přírodu, Bochníček zabývá
otázkami ochrany přírody, pokud možno vědecky a na úrovni. Často upozorňuje,
že jeho představy o ideálním postupu v této věci jsou v hrubém rozporu
s např. strategií strany Zelených, která dle něj v mnoha ohledech má potenciál
našemu životnímu prostředí výrazně uškodit, dostala-li by tato strana šanci
(extenzivní získávání energie devastací přírody, současná nepochopitelná
realita tzv. hybridních pohonů atd.).
Měl jsem tu čest navštěvovat mnohé přednášky doc. Bochníčka při svém
studiu. Budete-li mít zájem o další články těchto a podobných témat, rád
ještě něco zplodím.
Zdroje:
[1] A. C. Upton, The Biological Effects of Low-Level Ionizing Radiation.
Scientific American 246, č. 2 1982, s 29.
[2] J. Jandl, I. Petr, Ionizující záření v životním prostředí. SNTL
Praha, 1988.
[3] J. Marek, Jaderná energetika. Propagační materiál ČEZ, 2000.
[4] E. Králíková, J. T. Kozák, Kouřit nebo nekouřit. Vesmír 79, č.
4 2000, s 206.
[5] F. Peřina, J. Marek, G Cziviš, Jaderná energetika a životní prostředí,
SNTL Praha, 1987.
[6] http://www.energ.cz/hlavni.html?m1=/uspory/vodni.html,
(květen 2000).
[7] http://astro.sci.muni.cz/pub/hollan/e_papers/solar/tech_inf.html
(květen 2000).
1.8.2010 Smrtihlav