Jak Západ zaspal

Po solárních panelech a elektromobilech začíná Čína diktovat tempo i ve vývoji bezemisních elektráren.

Sdělovacími prostředky, aniž by to budilo větší pozornost, i u nás proběhly zprávy o tom, jak 80 let poté, co se o to pokoušely Spojené státy, spustila Čína svůj plně funkční nukleární reaktor na thoriové bázi. Ten hodlá vyrábět v masovém měřítku, neboť úspěšný pilotní projekt bude transformovat do globálního standardu, přičemž jeho využitím v kontejnerových plavidlech s jaderným pohonem začala přepisovat i jednu z kapitol lodní přepravy. Kdy tento pohon, jelikož nepřináší žádné sankce za palivo, upoutal pozornost lodních společností po celém světě.

A poněvadž se čínským inženýrům podařilo vyřešit řadu technologických problémů, počítají pro pevninu s thoriem v reaktorech o výkonu 100 megawattů, kdy jejich konstrukce zaručuje, že se v případě málo pravděpodobného selhání chladícího systému automaticky vypnou a nebudou tak představovat hrozbu pro lidská sídla. V této souvislosti je třeba si připomenout, že i v případě Shippingportu, první jaderné elektrárny využívané výhradně pro mírové účely, spuštěné v roce 1957 ve Spojených státech amerických, se hovoří o elektrickém výkonu 100 MW. Kdy elektrárna byla navržena tak, aby ji bylo možné přestavovat a upravovat, přičemž konečný stav reaktoru byl pozoruhodný pro svoji schopnost transmutovat levné thorium na uran.

Jinak řečeno, po fotovoltaice a elektromobilech se hodlá Čína zaměřit i na thoriové reaktory, které ke svému chlazení nepotřebují vodu a jsou tak vhodné i pro ty nejsušší oblasti. Kdy čínská diplomacie už v tichosti vede předběžná jednání v některých afrických a asijských zemích o dodávkách thoriových reaktorů postavených na klíč, včetně školení personálu, integrace do sítě a dlouhodobých smluv na údržbu. Kdy v rámci iniciativy Belt and Road (BRI), někdy také nazývané Nová hedvábná stezka, jako globálního projektu zaměřeného na rozvoj infrastruktury a obchodních vztahů, nabízí Čína osloveným regionům šanci decentralizovat výrobu elektrické energie prostřednictvím instalace modulárních thoriových jednotek.

Thorium (Th) je slabě radioaktivní kovový prvek, pojmenovaný po severském vládci hromu Thorovi, jehož nejrozšířenějším izotopem je thorium-232, tvořící více než 99 % přirozeného výskytu. Thorium bylo objeveno v roce 1829 švédským chemikem Jacobem Berzeliem ze vzorků, které mu poslal mineralog Jens Esmark. V roce 1884 pak rakouský chemik Auer von Welsbach vynalezl žárovou punčošku pro plynový systém, která využívala oxid thoria, označovanou za Welsbachův plášť či Auerlicht. Tento vynález vedl k prvnímu komerčnímu využití thoria ve Spojených Státech, kde se punčošky používají v přenosných lucernách pro kempování, ale i v loveckých a rekreačních chatách. V roce 1952 se přibližně 65 % thoria, zpracovaného v USA, již využívalo v pláštích luceren, kde jejich roční prodej činil 20 milionů v roce 1974, 25 milionů v roce 1981 a 50 milionů v roce 2000. A právě Welsbachův plášť, patentovaný v roce 1885, po němž byla obrovská poptávka, podnítil celosvětový zájem o thorium, aby se nakonec ukázalo, že se na Zemi vyskytuje v hojnějším množství, než mineralogové předpokládali. A není bez zajímavosti, že thorium dnes pomáhá astronomům při hledání planet podobných Zemi kolem vzdálených hvězd.

Američané na konci 50. let minulého století jako první uvažovali o využití thoria v jaderných reaktorech, aby pak v Národní laboratoři Oak Ridge ve východní části státu Tennessee spustili svůj prototyp. Jenže slibný projekt byl vbrzku ukončen ve prospěch systémů postavených na reaktorech s uranem 235, přestože jsou ložiska thoria v USA jedny z nejrozsáhlejších ve světovém měřítku. A tak i když byly před desítkami let Spojené státy průkopníkem v této revoluční jaderné technologii, teprve dnes v odlehlé části pouště Gobi, kde byl spuštěn plně funkční čínský reaktor s roztavenou solí nové generace, začala koncepce thoria v reaktorech nabývat na větším významu. Více o celém projektu a jeho souvislostech se zvídavý čtenář dozví z tohoto videa, kde si každý, kdo neovládá angličtinu, může nastavit české titulky:

https://www.youtube.com/watch?v=BuVBU7IMxxA

Do elektrické budoucnosti tak Peking vykročil s bezpečnější a čistší alternativou výroby energie v atomových elektrárnách, využívajících thorium. Po celé Číně existuje 230 nalezišť thoria, ale aby toho nebylo málo, v čínském těžebním komplexu Bayan Obo v provincii Vnitřní Mongolsko bylo nedávno objeveno dosud největší ložisko, které by mělo obsahovat až milion tun thoria. Kdy podle prvotních odhadů, při využití v thoriových reaktorech, by tak pro dodávky čisté energie čínskému průmyslu i domácnostem zásoby thoria vystačily ne na stovky, ale na tisíce let. Peking si totiž klade za cíl dále rozvíjet úsilí o technologickou prominenci a soběstačnost. K tomu masivně dotuje čisté technologie, kdy podstatnou složku dosavadních čínských úspěchů představují extrémně nízké ceny energií pro průmyslovou výrobu.

Směr vývoje atomových elektráren ve Spojených státech v dobách studené války určovala armáda, které se thorium, lidově řečeno, nehodilo do krámu, neboť dvojí užití uranu jí bylo vším. A pokud thorium jako palivo v reaktorech nedokázalo produkovat materiál vhodný pro nukleární zbrojení, nehodlala federální vláda projekt financovat. Proto se také nakonec Spojené státy v civilním sektoru zasadily o podporu lehkovodních reaktorů plně poháněných uranem, neboť thorium se prostě svým potenciálem k výrobě zbraní hromadného ničení nehodilo.Tak mohla být velká část výzkumu Národní laboratoře Oak Ridge v 90. letech odtajněna, přičemž plány experimentálního reaktoru s thoriovou solí byly zpřístupněny vědcům po celém světě. Kdy se této příležitosti chopila Čína.

Když se Indie, která má jen velmi omezené zásoby uranu, ale naopak velké zásoby thoria, v jaderné energetice zaměřila na možnost uplatnění takzvaného thoriového cyklu a roku 2004 zahájila stavbu experimentálního reaktoru v Kalpakkamu, začalo se mezi energetiky hovořit o vývoji bezpečnějších reaktorů příští generace. Neboť Indie plánuje do roku 2050 kapacitu svých elektráren zvýšit stokrát a podíl jaderných elektráren na výrobě elektrické energie se tu bude rychle zvyšovat. Přičemž ve svém prohlášení z roku 2019 indická vláda uváděla, že ministerstvo pro atomovou energii plánuje využití velkých ložisek thoria v zemi dostupných jako dlouhodobou možnost, což vyvolalo vlnu zájmu o reaktory s thoriem i v jiných zemích. Mimo jiné i proto, že jádra atomů thoria jsou pouhými alfa-zářiči, tudíž sama o sobě nemohou vyvolat štěpnou reakci. Teprve když zachytí vysokoenergetický neutron, mohou se přeměnit na využívaný štěpitelný izotop uranu 233, který vytváří méně radioaktivního odpadu, skladovaného po několik století. Což je však mnohem méně, než v případě odpadu při nejčastěji využívaném uranu 235, kde se počítá s jeho skladováním na tisíce až desetitisíce let. Navíc při thoriové štěpné reakci nevznikají těžké transurany, které jsou obvykle nejnebezpečnější složkou vyhořelého paliva.

Spolu s Indií a Čínou thorium jako součást své národní energetické politiky pak deklarovalo i Turecko, přičemž v roce 2015 mezivládní agentura OECD pro jadernou energii (NEA), která usnadňuje spolupráci mezi zeměmi s pokročilou infrastrukturou jaderných technologií, publikovala dokument, ve kterém dospěla k závěru, že implementace thoria z dlouhodobého hlediska je rozumná a opodstatněná. A není bez zajímavosti, že významného milníku a důležitého kroku ke komerčnímu schválení paliv na bázi thoria v lehkovodních reaktorech (LWR), nejrozšířenějším typu jaderných reaktorů, dosáhla norská společnost Thor Energy při vývoji paliva ze směsného oxidu thoria. Takové palivo je použitelné (s minimální úpravou) ve stávajících reaktorech s využitím zavedené technologie uran-MOX a zkušeností s licencováním, přičemž Thor Energy provádí podrobné studie strategie pro thoriové palivo od roku 2006 a vede Konsorcium pro ozařování thoria, založené v roce 2011. Směsné oxidické palivo MOX (z anglického výrazu Mixed Oxide fuel) je alternativou k jadernému palivu s nízkoobohaceným uranem (LEU), používaným v lehkovodních reaktorech, které v oblasti výroby jaderné energie převažují.

Bývalý ředitel CERNu a nositel Nobelovy ceny za fyziku Carlo Rubbia v roce 2010 prohlásil, že thoriové reaktory mohou odstranit naši závislost na ropě či na jakýchkoliv dalších zdrojích energie za 10 let. Ovšem k tomu že dojde jen tehdy, pokud na vývoj této technologie bude věnován dostatek finančních prostředků a úsilí, neboť u thoriových reaktorů je problém s materiálovou a technologickou náročností. Jenže k tomu je třeba politického rozhodnutí, kterého se v Evropském parlamentu thoriu nedostalo, i když se v té době již spekulovalo o tom, že Čína při neustále rostoucích cenách velkých atomových elektráren může zaútočit na pozice lídrů jaderné energetiky prostřednictvím thoria. Ostatně, není tomu tak dlouho, co nám řada unijních expertů tvrdila, že našemu vyspělému automobilovému průmyslu ten čínský nemůže v ničem konkurovat. Je sice pravda, že Čína dnes ekonomicky zpomaluje, ale prokazatelně se dál technologicky vyvíjí, nemluvě o hojnosti přírodních zdrojů, kdy je mezinárodní společenství zaskočeno čínskou dominancí v oblasti nerostů a vzácných zemin. Jinak řečeno, přes všechny naše výhrady k čínskému politickému systému, který označuje technologickou soběstačnost za klíčovou pro národní přežití, je třeba si přiznat, že v případě využití thoria v elektrárnách Západ zaspal.

Jaderná energie tvoří součást skladby zdrojů energie velké části členských států EU. V zemích, které se rozhodly jadernou energii využívat, sehrává důležitou úlohu zajišťování bezpečnosti dodávek elektrické energie, kde se o slovo dnes hlásí thorium. Skutečný potenciál thoria při výrobě energie lze podle řady odborníků využít jen tehdy, pokud se použije ve formě roztavené soli. Tohoto úkolu, aniž by získala hmatatelnou podporu Evropské komise, která má za úkol podporovat a usnadňovat jaderný výzkum v členských státech EU, se ujala dánská společnost Copenhagen Atomics, vyvíjející reaktor s roztavenou solí thoria se zaměřením na nízkou cenu produkované elektřiny, která již postavila dva prototypy.

Jejich technologie Onion Core umožňuje výrobu kompaktního reaktoru, který se dá hromadně vyrábět na montážní lince a dopravit na místo instalace v kontejneru. To představuje zlomový bod v oblasti výroby energie z thoria, neboť náklady na výstavbu reaktoru a pomocných systémů jsou nižší, než u tradičních jaderných reaktorů. A jak je tým Thomase Jam Pedersena, spoluzakladatele a generálního ředitele Copenhagen Atomics o tom přesvědčen, podstatná část energie, kterou v budoucnu spotřebujeme, bude pocházet z thoria. Jenže předpisy pro thorium v EU nejsou dosud dostatečně rozvinuté a řada evropských států při výrobě elektřiny plánuje před atomovými elektrárnami nadále upřednostňovat, přes jejich závislost na rozmarech počasí, větrné a solární elektrárny. A tak přes veškerý pokrok ve vývoji jejich reaktoru není jasné, která evropská země by pilotní elektrárnu společnosti Copenhagen Atomics mohla spustit jako první. Více zde:

https://www.youtube.com/watch?v=BcoN2bdACGA

Někoho možná napadne, že bude lepší si v případě bezpečné výroby levné elektřiny počkat na fúzní reaktory. Inu, ještě v 70. letech, kdy se při zdokonalování tokamaků dosahovalo řady úspěchů, většina jaderných fyziků byla přesvědčena o tom, že termonukleární fúze bude úspěšně zvládnuta a technicky využívána do konce 20. století. Že po roce 2000 budou „zastaralé štěpné jaderné reaktory“ odstaveny a energie v elektrárnách bude získávána v termonukleárních fúzních reaktorech. Ale jak se ukázalo, při magnetickém udržení horkého plazmatu uvnitř zařízení (tokamaků a stelarátorů) napodobit fúzní proces probíhající ve Slunci, kdy je třeba udržet plazma na teplotě přes 100 milionů stupňů Celsia (při běžném provozu v jaderném reaktoru teploty dosahují kolem 400°C), není tak jednoduché. Přitom zájem investorů o termojadernou energetiku v posledních letech neustále rostl a s ním i počet startupů, které se věnují termojaderné fúzi. Ovšem žádný startup dosud neprokázal, že by dosáhl fáze vývoje, potřebné k uvedení termojaderné fúze na trh v blízké budoucnosti. Je pravda, že každá naděje, tedy i ta spojená s replikací procesu jaderné fúze na Zemi, umírá jako poslední. Jenže dosud není jasné, zda tento svatý grál energetiky, nazývaný „neomezeným zdrojem energie“, bude komerčně životaschopný, zda se najdou výrobci elektřiny, co budou nákladný provoz fúzních reaktorů platit.

Nejsem sice odborník, ale dávají mi větší smyl návrhy energetiků, kdy v kombinaci s inherentní bezpečností provozu při vnitřním tlaku blízkém atmosférickému, se 100% pasivním bezpečnostním systémem a dosažením vysoké účinnosti využití jaderné energie obsažené v palivu, by nám elektrárny s thoriovým reaktorem na bázi roztavených solí v brzké době mohly přinést zcela bezpečnou a levnou elektřinu i teplo. Jenomže Evropská unie se vydala cestou výstavby dalších solárních a větrných elektráren, pro jejich přerušovaný výkon energetiky kritizovaných, provázené likvidací uhelných elektráren, díky čemuž má do roku 2050 dosáhnout uhlíkové neutrality. Kdy podle bruselských úředníků si Evropská unie v produkci tolik potřebné elektrické energie vede nadmíru dobře.

I když ve srovnání s pragmatickou Čínou jen vede, jak se u nás říká, krávu za ocas.

Fialová záře thoriové emisní lampy se při pozorování spektroskopem (kovová trubice na horním obrázku vpravo) rozdělí na spektrum tisíců jasných čar (dolní obrázek). Kdy nová měření těchto čar astronomům pomáhají při hledání planet podobných Zemi kolem vzdálených hvězd.

Zdroj: Národní institut pro standardy a technologie, Public domain, via Wikimedia Commons.

ODKAZY NA PŮVODNÍ ZDROJE

Hromadná výroba thoriových reaktorů:

https://www.copenhagenatomics.com/technology/

Experiment s roztavenou solí ve Švýcarsku:

https://www.youtube.com/watch?v=JF9JgxNtHbc

Palivovo ze směsného oxidu thoria nové generace:

http://thorenergy.no/new-generation-thorium-mixed-oxide-fuel-pellets-loaded-into-reactor-for-testing/

Rychlé jaderné reaktory a využití thoria v Indii:

https://www.osel.cz/4365-rychle-jaderne-reaktory-a-vyuziti-thoria-v-indii.html

Výhody thoriového paliva oproti uranu:

https://www.vut.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=102913

Transmutace thoria na štěpný materiál:

https://dspace.vut.cz/items/ab180afe-2565-4d12-9d38-29bac106c797

Malé modulární reaktory a budoucnost energetiky:

https://www.youtube.com/watch?v=6KUuUh8uaLo

Kdy jaderná fúze začne pohánět svět není stále jasné:

https://www.polytechnique-insights.com/en/columns/energy/nuclear-fusion-the-true-the-false-and-the-uncertain/

Základní informace o izotopu thoria:

https://www.doucuji.eu/blog-doucovatelu/1796-izotop-thoria-radioaktivita

Thorium v plášti na žhavící plynové lucerny:

https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/consumer/products-containing-thorium/gas-lantern-mantles.html

Jak thorium pomáhá astronomům při hledání extrasolárních planet:

https://www.nist.gov/news-events/news/2014/03/nist-gives-astronomers-better-ruler-search-extrasolar-planets

Více než 230 nalezišť thoria po celé Číně:

https://www.youtube.com/watch?v=hIQSkrGN3G4

Turecko patří mezi země s velkými ložisky thoria:

https://www.grs.de/en/nuclear-energy-turkey-04072023