Václav Slamiha, jeden z najobľúbenejších autorov Billa Gatesa, vo svojich knihách a prednáškach označuje jadrovú energetiku za "úspešný neúspech". Nepochybne funguje a v mnohých ohľadoch je lepšia ako iné zdroje. Nikdy sa jej však ani zďaleka nepodarilo naplniť nádeje, ktoré sa do nej vkladali, predovšetkým sľuby o "príliš lacnej elektrine" a úplne bezpečnej prevádzke.
Zakladateľ Microsoftu svojich obľúbených autorov evidentne nepočúva vo všetkom. V roku 2006 totiž pomohol zakladať spoločnosť TerraPower, ktorá vyvíja práve jadrové reaktory, a od tej doby v nej pôsobí ako predseda správnej rady. TerraPower počas tých rokov pomaly a postupne rástla a dnes sa cíti dostatočne silná, aby svoje výsledky poslala z laboratória do sveta.
Na jeseň roku 2017 podpísala zmluvu s čínskou China National Nuclear Corp na stavbu prvého experimentálneho prototypu svojho zariadenia. Stavba by mala podľa dostupných informácií začať v priebehu budúceho roka. Reaktor s plánovaným tepelným výkonom 600 MW by mal byť hotový azda niekedy v polovici budúcej dekády, píše Technet.cz.
Z uránu na uráne
Návrh TerraPower patrí medzi návrhy tzv. IV. generácie reaktorov, ktoré majú proti existujúcim typom mať celý rad lepších charakteristík. Môžu využívať lacnejšie a dostupnejšie palivo, byť bezpečnejšie, vytvárať menej odpadu, dokonca si čiastočne vyrábať palivo. A samozrejme by mali byť tiež lacnejšie - čo je ale úprimne povedané jeden z tých sľubov, ktorého splnenie by všetci videli asi najradšej.
TerraPower sa drží konkrétne nápadu "odkukaného" v bývalom ZSSR. Ide o tzv. reaktor s postupnou vlnou. Predstava o ňom sa zrodila v 60. rokoch v hlave a práci sovietskeho fyzika Savelije Feinberga. Realizácii sa koncept v tej dobe nikdy nepriblížil. V 90. rokoch však zaujal veľkého propagátora jadrovej energetiky a tiež "otca" vodíkovej bomby Edwarda Tellera, ktorý pre neho dokázal nadchnúť ďalších kolegov.
Jeden z nich, Lowell Wood, nakoniec ho dokázal "predať" investičnej spoločnosti Intellectual Ventures, ktorá je matkou TerraPower. Ako to tak býva, pôvodné návrhy fyzikov boli síce elegantné, ale nepraktické. Konštruktéri a inžinieri ale (údajne k vlastnému prekvapeniu) väčšinu problémov, ktoré v koncepte našli, dokázali počas rokov odstrániť. Vytvorili veľmi pokročilú simuláciu, ktorá údajne presvedčila aj časť skeptikov a otvorila možnosť na získanie dostatočného kapitálu na dokončenie návrhu. Na stavbu to nestačilo, ale tento problém má vyriešiť práve spomínané partnerstvo s Čínou.
Ako sme spomenuli, hlavnou zvláštnosťou projektu je koncepcia vlastnej jadrovej časti reaktora, teda aktívnej zóny. Palivo pre reaktor tvorí pre dnešné komerčné reaktory "nestráviteľná" zmes obohateného a ochudobneného uránu. Množstvo rádioaktívneho izotopu uránu, teda uránu 235, je len malý zlomok celkového množstva; rádovo desatiny percenta z celkového objemu (štandardná úroveň obohatenia je okolo 4 percent). Zvyšný objem paliva tvorí bežný izotop uránu 238, teda de facto ochudobnený urán.
Malé množstvo štiepneho materiálu sa vkladá do niekoľkých presne určených miest v reaktore a slúži ako "štartér". Neutróny uvoľnené pri rozpade uránu 235 by mali začať meniť ochudobnený urán vo svojej blízkosti v palivo pre ďalšiu reakciu. Urán 238 sa totiž po zachytení jedného neutrónu zmení na urán 239, ktorý sa v rade minút zmení na neptúnium (za vzniku beta žiarenia), a tak sa potom (za uvoľnenia ďalšej beta častice) zmení na plutónium, ktoré potom slúži ako palivo pre reaktor . Plutónium sa totiž po zásahu neutrónom rozpadá na ďalšie izotopy, pričom sa uvoľní tiež niekoľko neutrónov, ktoré celý kolobeh udržia v chode.
Pôvodna náplň aktívnej zóny reaktora tak postupne "prehorieva", ako sa reaktorom postupne šíri vlna štiepnych reakcií. Postup má byť rovnomerný, pretože by sa malo jednať o tzv. solitonovú vlnu, ktorá sa materiálom šíri konštantnou rýchlosťou a nepodlieha disperzii. Celý proces je nesmierne pomalý a podľa projektu TerraPower by palivo malo vystačiť na viac ako 50 rokov - a to bez jedinej výmeny. To by samozrejme mohla byť ohromná prevádzková i bezpečnostná výhoda.
Reaktor by mal tiež mať podstatne lepšiu účinnosť vo využití energie vloženého paliva (aj keď stále menej ako polovicu), čo je argument skôr technický než finančný. Ceny uránu sú dlhodobo nízke a nezdá sa, že by sa to mohlo nejako zásadne meniť. Zaujímavejší je možno sľub, že reaktor by mal produkovať na jednotku vyrobenej energie podstatne menej vysoko aktívneho jadrového odpadu, ktorý by vyžadoval dlhodobé uskladnenie. Stavba dlhodobých skladov je technicky iste možná, ale politicky ide o veľmi citlivú tému, ku ktorého riešeniu sa dopracovalo len pár krajín na svete (napr. Švédsko). Zmenšiť problém v tomto prípade teda rozhodne nie je na škodu.
So sodíkom vo vani
Reaktor by mal pracovať pri teplotách okolo 550 ° C, teda zhruba o dvesto stupňov vyšších ako u komerčných tlakovodných reaktorov, a jeho chladenie nemôže obstarávať voda, tá by na danú úlohu nestačila. Nie je to unikátny problém, rýchle reaktory všeobecne vyžadujú účinnejšie chladenie. Je to dôsledok vyššej hustoty štiepenia a teda vyššej produkcie tepla v pomerne malej aktívnej zóne. TerraPower rovnako ako iné podobné projekty volí k chladeniu tekutý sodík.
Dodajme ešte, že reaktory chladené tekutým sodíkom majú väčšinou dva sodíkové okruhy, aby sa sodík z aktívnej zóny, v ktorom sa môžu objavovať rádioaktívne izotopy, nemohol v žiadnom dostať do ďalších častí elektrárne. Okrem prvého "rádioaktívneho" okruhu, ktorý prechádza priamo reaktor, býva vložený do projektu ešte ďalší okruh, ktorý preberá energiu z primárneho okruhu a odovzdáva ju ďalej k parnému okruhu poháňajúcemu turbínu.
Najčastejší typ rýchleho reaktora chladeného sodíkom vrátane projektu TerraPower je tzv. vaňového typu, čo znamená, že aktívna zóna je celá ponorená vo veľkej nádobe vyplnené chladiacim tekutým kovom. Použitý sodík musí byť veľmi čistý, aby v ňom vznikalo čo najmenej rádioaktivity. To však nie je najväčší problém tohto konštrukčného riešenia, ako je čitateľom asi jasné. Využitie sodíka pri chladení má svoje riziká spojené hlavne s búrlivou reakciou sodíka so vzduchom a vodou.
Svoje by o tom mohli rozprávať prevádzkovatelia japonského experimentálneho sodíkového reaktora Monje, na ktorom došlo hneď k niekoľkým nehodám vrátane nepríjemného úniku niekoľkých stoviek kilogramov sodíka. Kov sa samozrejme vznietil a vysoké teploty spôsobili na zariadení vážne škody. Udržať absolútnu tesnosť a spoľahlivosť zariadení po viac ako 50 rokov prevádzky, s ktorými TerraPower u finálnej podoby svojho dizajnu údajne počíta, nie je v prípade sodíkového systému teda rozhodne nič triviálne.
Nie vo všetkých konštrukčných ohľadoch sú sodíkové reaktory náročnejšie. Bežný tlakovodný reaktor je "papiňák" plný vody o teplotách okolo 300 ° C a tlakom rádovo stokrát vyšším, než je atmosférický. To samozrejme kladie značné nároky na kvalitu výroby, najmä u jadrového zariadenia.
Sodíkové reaktory môžu pracovať s oveľa nižšími tlakmi. Napríklad ruský rýchly sodíkový reaktor BN-800 je údajne možné od bežných reaktorov rozoznať už aj poklepom na jeho kovovej stene: znie inak, pretože sú podstatne slabšie ako u klasických tlakovodných reaktoroch. Na druhej strane pripomíname, že postaviť systém s tekutým sodíkom, ktorý by mal ideálne fungovať desiatky rokov bez zásahu zvonka, tiež rozhodne nie je nič jednoduché.
Veľkou výhodou obohatených reaktorov je aj to, že v prípade nehody by mali byť robustnejšie. Rovnako ako u dnešných ľahkovodných reaktorov v nich po nehode samovoľne dôjde k zastaveniu štiepnej reakcie. V reaktore však ďalej prebieha rozpad niektorých rádioaktívnych prvkov a vzniká teda teplo. Je ho síce o oveľa menej ako pri prevádzke, ale ak sa ho nepodarí odvádzať, reaktor sa môže prehriať. Pripomeňme, že vo Fukušime výpadok chladenia viedol k čiastočnému roztaveniu aktívnych zón niektorých postihnutých reaktorov, aj keď rádioaktívne pevné látky sa mimo obalu reaktora nedostali.
Čínska cesta
Nevýhodou je aj to, že skúseností s podobnými zariadeniami je pomerne málo - a nie všetky sú rozhodne pozitívne. Spomenuli sme japonský Monje, ktorý pracoval len sporadicky a dnes už mieri zrejme nezvratne do starého železa. Vo Francúzsku boli prevádzkované v podstate len výskumné reaktory Phenix a Superphénix, ktoré vynikali mnohými zaujímavými parametrami, ale rozhodne nie spoľahlivosťou.
V Číne potom je tiež jeden rýchly sodíkový reaktor, malý CEFR s elektrickým výkonom 20 MW, ktorý podľa Medzinárodnej agentúry pre atómovú energiu mal v roku 2011 pomerne vážnu nehodu, ktorá ho síce nezničila, ale odstavila na nejakú dobu z prevádzky. Čínska strana tvrdí, že k žiadnej takejto udalosti nedošlo.
CEFR však je čínsky projekt len do určitej miery, vznikol vo veľmi úzkej spolupráci s ruskými dodávateľmi, ktorí s prevádzkou sodíkových reaktorov majú najviac skúseností, a zo všetkých producentov tiež tie najlepšie. Rusko je jedinou krajinou, kde sa tieto reaktory používali v bežnej každodennej prevádzke výroby tepla i elektriny.
Prvým takým bol reaktor BN-350, ktorý pracoval do 90. rokov na pobreží Kaspického mora. Dodával nakoniec do siete zhruba 150 MW elektrického výkonu, ale jeho hlavnou úlohou bolo odsoľovanie morskej vody. Produkoval ju okolo 120-tisíc ton denne. Pôvodná predpokladaná životnosť reaktora do roku 1993 bola predlžovaná a pracovala až do roku 1999.
Nasledoval potom v roku 1980 spustený väčší BN-600 a novo ešte výkonnejší BN-800. BN-600 po počiatočných problémoch práve s únikmi sodíka podľa všetkých dostupných údajov funguje relatívne spoľahlivo. Koeficient jeho ročného využitia prekračuje 70 percent, v posledných štyroch rokoch dokonca vždy nad 85 percent. To už sa blíži požiadavkám na profitabilnú komerčnú prevádzku, hoci stále ide o hodnotu minimálne o niekoľko percent nižšiu ako u tých najspoľahlivejších komerčných tlakovodných reaktorov.
Aj vďaka relatívne dobrým skúsenostiam v Rusku postavili výkonnejší BN-800, ktorý by mal predstavovať už v podstate bežné komerčné zariadenia a je v prevádzke od októbra 2016. V roku 2017 koeficient jeho využitia bol niečo málo cez 73 percent, čo sa na prvé zariadenie tohto konkrétneho typu nezdá byť zlý výkon.
Samozrejme TerraPower je iná firma, jej reaktor je iná konštrukcia a koncept atď. Ruské skúsenosti však ukazujú, že sodíkové reaktory už dnes za istých okolností sú použiteľné, rozhodne ich však nemožno označiť za preverenú technológiu.
Ešte jednu súvislosť s TerraPower ruské sodíkové reaktory majú. Čína sa na nich totiž s Ruskom nedohodla. Po dokončení už spomínaného reaktora CEFR v rusko-čínskej spolupráce malo dôjsť aj na stavbu veľkého rýchleho sodíkového reaktora v Číne. Zišlo z nej údajne predovšetkým preto, že ruská strana nesúhlasila s požiadavkami na prevod duševného vlastníctva a know-how v miere, akú si čínsky zákazník predstavoval. Aj preto Peking hľadá cesty a spolupráca s TerraPower je zrejme jednou z nich.
Aj tak je samozrejme úspech celého projektu neistý. Program môžu už v najbližších mesiacoch možno zastaviť hroziace obchodné spory medzi Čínou a USA, možno sa počas stavby či spúšťania objavia neriešiteľné technické problémy, možno bude mať reaktor nakoniec nevhodné parametre. Isté je asi len to, že cesta k úspechu bude rozhodne trvať desaťročia, koniec môže však prísť zo dňa na deň.