Výzamnou součástí energetického mixu, které my (lidstvo) používáme, je tzv. jaderná energie, tedy energie získávaná štěpením jader atomů, zejména nuklidu ²³⁵U. Proč?

Hlavním důvodem je ohromné možství energie, skryté v látce, které popisuje slavný Einsteinův vzoreček, známý jako „teorie relativity“:

E = m · c²

kde:

E  energie [M·L ² ·T ^-2 ], [J]

m  hmotnost [M], [kg]

c  rychlost světla [L·T ^-1 ], [m·s ^-1 ] *

 

* Rychlost světla je fyzikální konstanta, krerá má v soustavě SI hodnotu 299 792 458 m/s.
To je tedy přibližně 300 000 000 m/s, což můžeme zapsat jako 3 · 10 ⁸ m/s.
Pokud chceme vypočítat její kvadrát, tedy c ² = (299 792 458 m/s) ² = 89 875 517 873 681 800 m ² /s ² ,
což je přibližně 9 · 10 ¹⁶ m ² /s ²

Co nám tedy tato rovnice (terorie relativity říká)?

Říká nám to, že je v látce (hmotě) ukrytá sposta energie. Vezmeme například 1 kg látky a necháme ho anihilovat. Anihilace je jerakce hmoty s antihmotou, výsledkem které je energie. Aby tato reakce proběhla, museli by jsme mít 0,5 kg hmoty a 0,5 kg antihmoty. Výsledkem této anihilace by byla energie:

E = 1 kg · 9 · 10 ¹⁶ m ² /s ² = 9 · 10 ¹⁶ J ≅ 2500 GWh

Z jednoho kilogramu látky by jsme tedy anihilací získali 2500 GWh elektrické energie, to je asi 950 let nepřetržitého elektrického výkonu 1000 MW bloku, jaké jsou např. v Temelíně, počítáme – li, že zisk elektrické energie je zhruba 1/3 z energetického (tepeného) výkonu reaktoru.

V následující tabulce 1 je přehled energetických zisků jederných/chemických reakcí z pohledu teorie relativity. Tedy při anihilaci dojde k přeměně 100% látky na energii, při jaderné fúzi, tedy slučování lehkých jader na těžší se přemění na nenergii 1% látky. Takové-to reakce probíhají hlavně ve hvězdách. Při štěpení těžkých jader dojde k přeměně 0,1% látky na energii. Při chemických reakcích dojde k přeměně 0,000 000 01% látky na energii.

tabulka 1: energetická výtěžnost jaderných/chemických reakcí podle teorie relativity

typ reakce	zisk energie
anihilace	100%
syntéza lehkých jader	1%
štěpení těžkých jader	0,1%
chemické reakce (hoření)	0,000 000 01%

 

Využití:

Anihilaci využít nelze, nemáme antihmotu, kdyby jsme jí nějak vyrobili, tak nenergetický zisk by byl nižší, než nenergie vložená do výroby antihmoty. Vzhledem k tomu, že antihmota reaguje s hmotou anihilací, bylo by nutné jí uchovávat v magnetických mísách, což by bylo technicky a nenergeticky náročné.

Při jaderná fúzi se přemění 1% látky na energii, prespektiva jejího civilního využití je za třicet let od 50tých let. To je proto, že aby tato reakce probíhala, musíme palivo (vodík, lithium) zahřá na vysokou teplotu, 100 – 150 miliónů K (v tomto případě je to v podstatě stejné jako ve °C), tedy až 10ti násobek teploty slunce.
Aby jsme tuto plazmu udrželi, musíme jí držet v magnetickém poli. Toto pole je vytvářeno silnými supravodivými magnety, které jsou kvůli supravodivosti chlazeny na teplotu kapalného helia. Z tohoto hlediska je to velice energeticky náročné. Pokud by takovýto reaktor fungoval, při fúzní reakci by vznikalo velké množství neutronů, které nedokážemě ovládat, a tedy při dlouhodobém běhu fúzního reaktoru by se toto zařízení jejich působením zničilo.

Hlavní problémy civilního využití jaderné fúze:

• entopie: jak získat energii ze zařízení, kde na jedné straně máme ohřev na 100 milionů K, a na druhé chlazení na teplotu kapalného helia.
• dlouhodobý provoz zařízení při vysokém toku neutronů – žádný materiál neodolá dlouhodobému toku neutronů
• Továrna na absolutno – nevíme, jaký by měl takový běžící fúzní reaktor vliv na své okolí

Dlužno poznamenat, že vojenské jednorázové fúzní reaktory bohužel fungujou – říká se jim vodíkové bomby

Štěpení těžkých jader, při kterém se mění 0,1% látky na energii, dokážemě poměrně dobře využívat. V přírodě se vyzkytují tři nuklidy, které je možné pro štěpení využít. Jedná se o izotopy uranu ²³⁵U, ²³⁸U a izotop thoria ²³²Th.

Celkové zastoupení uranu v zemské kůře je asi 20 Mt, z toho využitelných je asi 8 Mt. Složení uranu je zjednodušeně 0,7% ²³⁵U a 99,3% ²³⁸U. Ttorium se skládá téměř výchradně z  izotopu ²³²Th, jeho zastoupení v zemské kůře je 160 Mt, z toho asi 16 Mt využitelných.

Z těch tří vyjmenovaných nuklidů (²³⁵U, ²³⁸U a ²³²Th) je pro řetězovvá reakce přímo použitelný pouze ²³⁵ U. Protože je v uranu jako takovém jeho zastoupení pouze 0,7% je nutné ho obohacovat. Pro využití v energetických jaderných reaktorech na 1,5-5%, pro výrobu štěpných („atomových“) bomb přes 90%. Pro využití zbylých dvou nuklidů, tedy ²³⁸U a ²³²Th, je nutné je transmutovat na ²³⁹Pu respektive ²³³U.

Transmutace a řízení takových reaktorů je náročné, a prozatím drahé, ikdyž thoriové reaktory existují.
Pokud se týká využítí  ²³⁸U, tak se jeho významná část v klasických reaktorech mění na ²³⁹Pu,x které lze získat z vyhořelého jaderného paliva, což se z nějaké části děje. Takto získané ²³⁹Pu se využívá buď pro vojenské účely, nebo pro palivo typu MOx, kdy je plutonium použito ve směsi s uranem, jako paluvo do klasických štěpných reaktorů.

Pro úplnost doplním chemické reakce, kdy je vliv úbytku hmotnosti zanedbatelný (0,000 000 01%). Kdyby nějaký chemický technolog nebo inženýr chtěl korigovat svoje bilanční výpočty chemidkých reakcí na teorii relativity, jeho kolegové by se mu právem vysmáli. V jaderných reaktorech ale teorie relativity ignorovat nelze.

 

Tři hlavní nevýhody  štěpných jaderných elektráren:

Kdysi, na přednášce z chemického inženýrství, se nás přednášející zeptal: „jaké jsou nevýhody jederných elektráren?“. Já jsem znal správnou odpověď, tedy tu kterou on chtěl slyšet: „nedaj se na noc zastavit!“. Věděl jsem to proto, že jsme se na střední škole učili, že soustava vodních děl Gabčíkovo – Nagymaros, není Gabčíkovo – Nagymaros ale Gabčíkovo – Nagymaros – Temelín. Čtyři tehdy plánované 1000MWe bloky temelínské JE měly v noci čerpat vodu ze stupně Nagymaros do stupně Gabčíkovo. Toto ovšem dopadlo jinak.

Aby jsme pochopili skutečné nevýhody jaderných jelektráren, proti kterým je to, „že se nedaj na noc zastavit“ zcela podružné, je nutné si trochu ujasnit jejich konstrukci.
Aktivní zóny jaderných reaktorů jsou konstruovány tak, aby se štěpná řetězová reakce dala regulovat tak, že lze odvádět veškerá energie touto reakcí uvolněná. V případě, že  nějakým způsobem selže regulaci i chlazení, aktivní zóny takovýchto reaktorů nevybuchnou ale roztaví se. Dlužno poznamenat, že černobylský čtvrtý blok nevybuchnul jaderným, ale chemickým výbuchem. Ikdyby takovýto reaktor zasáhla nějaká střela, nevybuchne jaderným výbuchem. Problém je, že palovo v reaktorech i vyhořelé palivo, obsahuje velké množství velmi toxixkých štěpných produktů. Vojenským zásahem reaktoru, by se do okolního prostředí tedy uvolnilo ohromné množství radioaktivních velice radiotoxických radionuklidů.
Vyhořelé jaderné palivo je tedy velmi toxické, a i za běžných mírových okolností je nakládání s ním velice náročné, jak technologicky, tak i ekonomicky.

Tady jsou tedy tři hlavní nevýhody jaderných elektráren:

1. nedají se bránit, je třeba si uvědomit, kolik je např. v Evropě jaderných elektráren a vyhořelého jaderného paliva, a co by se stalo, kdyby vypuknul válečný konflikt rozsahu ii. světové války.
2. nevíme co s ním, jaderné elekrárny jspou u nás provozovány od roku 1985, tedy čtyřicet let, původní bloky jsou už za plánovanou životností. Tedy budeme provozovat elektrárny řekněme 60 let, ale vyhořelé palivo bude nebezpečné minimálně statisíce let.
3. v případě velké havárie jsou následky katastrofální, a nelze je napravit.

 

Závěr

Jaderné reaktory získávají ze štěpného paliva značné množství energie, o několik řádů více, než klasické elektrárny na fosilní paliva. Také přímo neznečišťují atmosféru skleníkovými plyny. Toto je ovšem za cenu velkých bezpečnostníh rizik, a také zanecháním velice nebezpečného a toxického odpadu budoucím generacím. Je tedy otázka, zda je provozování jederných elektráren v zájmu lidstva, tedy hlavně toho budoucího.