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:
1Vysoká 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
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).
(Zatím nikdo nehlasoval)