E_mail: wagner@ujf.cas.cz, WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/ Význam vědy pro předcházení krizových jevů aneb potřeba vize a spolupráce „Pouze budoucnost může rozhodnout, jestli jsme vybrali právě tu jedinou správnou cestu a nalezli to nejlepší řešení našich problémů" Albert Einstein Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR v Řeži a Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT v Praze E_mail: wagner@ujf.cas.cz, WWW: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Energetika a ekologie 2.1 Potřeba různých zdrojů 2.2 Věda – technika - společnost 2.3 Jaderná energetika v kontextu předchozího 2.4 Energetika – optimismus či pesimismus 3. Spolupráce různých lidí a oborů lidské činnosti 3.1 Co by se mělo chtít od vědců? 3.2 Nedostatek odborníků – jak řešit? 3.3 Jak se snažit o podporu veřejnosti 4. Spolupráce různých regionů, států, Evropy 4.1 Začínat u regionální spolupráce 4.2 Evropská vize? 5. Závěr

Potřeba vize a spolupráce „Za léta jsem byl třikrát předsedou vlády a třikrát vedoucím opozice …“ „Lidé snesou jen určité množství radikálních reforem a pak si zase chtějí odpočinout,ale reformy už nikdy nevrátí. Lidé ve skutečnosti o žádné změny nestojí a xenofobie se jen tak snadno nezbaví. Nemohou však zavírat oči před pokrokem, neboť jinak by nikdy nedosáhli hvězd.“ „Politika je tvrdá, občas špinavá a vždycky je to fůra práce. …“ Robert A. Henlein 1) Bohužel dnes spíše vymezování proti něčemu než pro něco – vede k omezení možnosti spolupráce 2) Je řada oblastí, kde lze spolupracovat a řešit problémy napříč ideologiemi 3) I v opozici lze právě díky těmto oblastem udělat kus práce 4) Neexistují samospasitelná řešení, je relativně málo úplných katastrof či konečných řešení 5) Vždy je nutný i možný určitý kompromis 6) Velkých cílů nelze dosáhnout najednou, vždy jen postupnými kroky 7) Bez vize nelze dosáhnout ničeho.

Energie – základ naší civilizace Nutné 1) jak decentralizované malé zdroje 2) tak velké koncentrované zdroje Problém: nemožnost skladovat větší objemy energie Růst 1,6 %/rok (o polovinu do 2030) 70 % rozvojové (2003) Celkově Elektřina Podíl: 1) Uhlí 24,4% 40,1% 2) Ropa 34,4% 6,9% 3) Plyn 21,1% 19,4% 4) Jádro 6,5% 15,8% 5) Voda 2,2% 15,9% 6) Obnovitelné 10,8% 1,9% Uhelná elektrárna Mělník Objev parního stroje Vývoj obsahu množství CO2 v atmosféře Solární elektrárna Figueruelas u Zaragozy (10 MW) Větrná elektrárna Mravenečník

Základní vlastnosti spojené s energetikou Dlouhodobost – energetická díla slouží desítky let Je třeba různorodost – malé a velké zdroje, zdroje různého typu – jejich vhodné doplňování – žádný není samospasitelný Nutnost vědeckého výzkumu – i toho necíleného (podpora „čisté“ vědy) Nutnost regionální, státní, mezinárodní podpory a koncepce (energetické sítě, těžba a doprava surovin, velké energetické projekty, výzkum a vývoj) Nutnost vážit a řešit ekologické dopady – znalosti životního prostředí Možnost i dramatické změny výhodnosti některého ze zdrojů (objev možnosti skladování elektrické energie, zvýšení účinnosti solárních článků, zavedení rychlých množivých reaktorů …)

Klasické jaderné reaktory – současná technologie Štěpná reakce - štěpení jádra samovolné nebo po získání energie - obvykle se dodá energie záchytem neutronu - doprovázena vznikem neutronů s energiemi v oblasti jednotek MeV ( 2 - 3 neutrony na štěpení) Řetězová štěpná reakce: Štěpení nuklidů 235U, 239Pu, 233U ... záchytem neutronu 235U + n → 236U* : 85 % - štěpení 15 % - emise fotonu Velká pravděpodobnost záchytu neutronů pro malé energie neutronů (10-2 eV) → nutnost zpomalování neutronů - moderátor Nutnost stálého počtu neutronů v systému Štěpení - vznik štěpných produktů Záchyt  emise fotonu  rozpad beta - vznik transuranů Palivo: 1) přírodní uran - složen z 238U a jen 0,72 % 235U 2) obohacený uran - zvýšení obsahu 235U na 3-4% (klasické reaktory – i přírodní - CANDU) T1/2(238U) = 4,51 miliardy let, T1/2(235U) = 0,713 miliardy let Principiální schéma reaktoru

Moderátor: voda, grafit Ovládání: Regulační, kompenzační Jaderná elektrárnaYonggwang v Jižní Koreji Vnitřek reaktoru Dukovany – reaktorový sál Moderátor: voda, grafit Ovládání: Regulační, kompenzační a bezpečnostní tyče Chlazení: Důležitý odvod tepla (voda) V roce 2009 (podle MAAE): 436 energetických reaktorů (~ 370 GWe, 16 % elektřiny) + 5 dlouhodobě odstavených , staví se 53 (47,2 GWe), plánované se blíží stovce Složení vyhořelého paliva: 96 % uran (~1% 235U) 1 % transurany 3 % štěpné produkty (stabilní, krátkodobé, dlouhodobé) Některé dlouhodobé radioaktivní štěpné produkty: 99Tc, 129I, 135Cs Dlouhodobé transurany: 237Np, 239Pu, 240Pu, 244Pu, 243Am

Rychlé (množivé) reaktory – nastupující technologie Nemoderované neutrony → menší pravděpodobnost reakcí → větší intenzita neutronů → větší počet štěpení → nutnost vysokého obohacení uranu 20 - 50 % 235U (ekvivalentně 239Pu) Produkce 239Pu: 238U + n → 239U(β-) + γ → 239Ne (β-)→239Pu → produkce paliva Vhodná konfigurace → produkce více plutonia než se spotřebuje (plodivá zóna) Efektivnější využití paliva – menší citlivost na složení paliva, spalování transuranů Vysoké obohacení → vysoká produkce tepla → nutnost výkonného chlazení → roztavený sodík (teplota 550 oC), roztavené olovo !! Více neutronů → více paliva a méně odpadu !! Phenix - 250 MWe (Francie) Rychlý množivý reaktor v Monju (Japonsko) – 280 MWe v současnosti stojí znovuspuštění 2008 BN600 Belojarská jaderná elektrárna v Rusku

800 MWe 500 MWe 25 MWe Budování rychlého reaktoru BN-800 v Rusku Právě spuštěný experimentální rychlý reaktor v Číně Dva snímky z budování rychlého reaktoru v Indii

Různé generace jaderných reaktorů Využívání jaderné energie od padesátých let Komerční reaktory od šedesátých, sedmdesátých let osmdesátá a devadesátá léta - stále efektivnější a bezpečnější Začátek tohoto století – nová III. generace – evoluční vývoj - efektivní, bezpečné (kontejnment, pasivní bezpečnostní prvky), dlouhodobá životnost

Současné fungující reaktory II generace Až na výjimky generace II. Spolehlivá funkce, stále efektivnější využití Prodlužování životnosti (přes 40 let), zkracování přestávek, optimalizace výkonu (dukovanské reaktory dříve 440 MWe, nyní téměř 500 MWe) V USA výkon jaderné energetiky rostl, i když se nové reaktory nestavěly Podíl jaderné energie v některých státech velký (Francie až 71 %) V současnosti boom výstavby v rozvíjejících se zemích Asie V Evropě se dostavují nedokončené reaktory – nové budou už III. generace Rozestavěná bulharská jaderná elektrárna Belene (reaktory VVER 1000) Dva dokončené bloky 1 a 2 jaderné elektrárny Cernavoda v Rumunsku (reaktor CANDU)

Rozestavěný třetí blok jaderné elektrárny Flamanville ve Francii Reaktory III. generace Jejich vývoj využívá předchozí zkušenosti Pasivní bezpečnost – automatické vypnutí Standardní sériová výstavba – zjednodušení schvalování, zkrácená doba výstavby snížení ceny Prodloužení období mezi výměnami paliva Dlouhá doba provozu – standardně se blíží k 60 letům Zajištění rozvoje jaderné energetiky v první polovině tohoto století EPR (1700 MWe) - AREVA Rozestavěný třetí blok jaderné elektrárny Flamanville ve Francii Rozestavěný třetí blok jaderné elektrárny typu EPR na ostrově Olkiluoto

AP1000 – Westinghaus (Toshiba) První blok jaderné elektrárny Sanmen v Číně Schéma elektrárny s blokem AP1000 VVER 1200 (AES-2006) - Atomstrojexport Zahájení stavby bloků Novovoroněž II (staví se dva bloky – v červenci 2009 zahájena betonáž i základů 2. bloku)

Reaktory IV. generace Studie šesti různých nových typů reaktorů, čtyři jsou rychlé a jen dva jsou klasické Hlavní úkoly: 1) Využít veškerý potenciál jaderného paliva (238U, 232Th) - rychlé reaktory 2) Snížit množství jaderného odpadu na minimum 3) Zvýšit bezpečnost na maximum 4) Práce při velmi vysokých teplotách ( 1000oC) → možnost efektivní produkce vodíku 5) Životnost minimálně 60 let 6) Snížení nebezpečí šíření jaderných materiálů Umožnění efektivního využití veškerého paliva kombinací množivých rychlých reaktorů a velmi efektivních klasických reaktorů První typy okolo roku 2030 Nahradí elektrárny II. A III. Generace a zajistí rozvoj jaderné energetiky

Nutnost vhodné kombinace a doplňování s dalšími zdroji a úsporami Jaké možnosti jádro poskytuje? Jaderná energetika není samospasitelná, ale může být významným zdrojem energie Efektivní větší zdroj energie minimálně (chlazení) závislý na místních podmínkách Stálý stabilní výkon → vhodné základní větší zdroje U elektřiny by tak podíl mohl být až 70 – 80 % (nemá smysl aby byl větší) Nahrazení hlavně uhelných elektráren – snížení produkce CO2 Větší využití v dopravě v případě přechodu na elektromobily a vodíkové hospodářství Teplárny – přechod na menší kompaktní zdroje Možnost kompaktních malých zdrojů, kde by se neměnilo palivo, ale celá elektrárna Budovaný plovoucí reaktor (70 MWe) EPR reaktor Nutnost vhodné kombinace a doplňování s dalšími zdroji a úsporami Česko – Dukovany (4  440 MW) a Temelín (2  1000 MW) – celkem 3760 MW (32 %) úvaha – 2 bloky Temelín a 1 Dukovany ( ~ 4000 MW) – 70 % elektrické energie Slovensko - Jaslovské Bohunice (2 bloky 440 MW) a Mochovce (2 bloky 440 MW) - 37% schváleno – 2 bloky Mochovce (880 MW) , 2 bloky Jaslovské Bohunice (~ 2500 MW) V budoucnu i další elektrárny – podíl na elektřině 70 – 80 %, větší podíl u tepla, vodík

Urychlovačem řízený jaderný transmutor – možná aplikace „již brzy“ !!! Ještě mnohem více neutronů → ještě méně jaderného odpadu !!! Z čeho se skládá: 1) Urychlovač protonů - energie 100 - 1000 MeV 2) Terč - olovo, wolfram … 3) Nádoba obsahující systém jaderného odpadu, moderátoru Nutnost separace stabilních a krátkodobých izotopů Základní vlastnosti: Využívá tříštivých reakcí Velmi vysoká hustota neutronů → efektivní transmutace Podkritický režim provozu 4) Produkce neutronů ve velmi širokém rozmezí energií Terč tříštivé zdroje neutronů Megapie Studie možností konstrukce transmutoru v CERNu Schéma koncepce jaderného transmutoru

Termojaderná fúze – výzkum pro budoucnost ( k využití poslední čtvrtletí tohoto století?) Slučování lehkých jader  produkce energie Praktické využití: 2H + 3H  4He + n + 17.58 MeV Jaderné reakce za vysokých teplot (107 - 109 K)  termojaderné reakce Lawsonovo kriterium - podmínka pro to, aby termojaderná reakce produkovala více energie než se spotřebuje na ohřev paliva Inerciální udržení plazmatu – velká hustota (stlačení pomocí laserů) a krátká doba udržení Magnetické udržení – „nízká“ hustota plazmatu, dlouhá doba udržení (stovky sekund a více) Ohřev plazmatu – proudem, stlačením magnetickým polem, vysokofrekvenčním polem a termojadernou fúzí Ohřev termojadernou fúzí musí stačit na její udržení Komora laserového termojaderného zařízení NIF Jedny z největších tokamaků JET (Evropa) a KSTAR (J. Korea)

Současnost ~ 2020 ne dříve než 2040 ITER – největší projekt výzkumu produkce energie začíná

Řad studií společných pro vyspělé štěpné i fuzní systémy (třeba studium reakcí neutronů při vyšších energiích)

(kdy a zda vůbec budoucí využití se zatím neví) Základní výzkum (kdy a zda vůbec budoucí využití se zatím neví) Využití zatím pouze SCI-FI

Co má společnost žádat od vědců? Nutnost spolupráce Spolupráce mezi politiky, vědou (základním i aplikovaným výzkumem), průmyslem a spoustou dalších složek společnosti Jedna bez druhé se neobejde Nutnost dlouhodobého základu této spolupráce Krátkodobé výhody získané likvidací jiné složky se z dlouhodobého hlediska vymstí. Vždy je nutný určitý kompromis Přijde ropná krize? Jak ji řešit? Co má společnost žádat od vědců? Přesná pozorování s určenými nejistotami Udávat vždy nejistoty v předpovědích Odborné rady a doporučení (zase v kontextu nejistot poznání) Informování veřejnosti o získaných poznatcích Informování o skutečnosti i odporující „společenské objednávce“ Jaký je vývoj klimatu? Co určitě ne: 1) Jednoznačné výpovědi, kde je neznáme 2) Trvat na odpovědích podle přání Při rozumném přístupu společnosti jsou energetické problémy ekologicky bezpečným způsobem řešitelné

ZŠ → SŠ → VŠ → PhD

Jak čelit nedostatku mladých odborníků? „Je tomu však stejně u každého vynálezu. Prvním krokem je nápad a ten přichází jako výbuch, ale potom se vynořují stále větší těžkosti.“ „Vynalézat je devadesát devět procent dřiny a jen jedno procento nápadu.“ T. A. Edison Co ano: Podpořit konkrétní školy i učitele Podpořit nejen výzkum pro konkrétní potřeby firmy ale i „čistou“ vědu Podpořit náročnost a kvalitu výuky (škola hrou je fajn ale ke znalostem se nelze dobrat jen zábavou – špičkový výkon potřebuje i dřinu) Podporovat fungující projekty (pokud jsou dobré) Co ne: Podřizování škol a výuky potřebám „praxe“ Přesun prostředků ze základního výzkumu do „firemního“ vývoje Snížení nároku na studenty „preference kvantity před kvalitou“ Startovat stále nové projekty a fungující ponechávat svému osudu

Popularizace vědy a techniky Potřeba rozumně skloubit „populárnější“ i „serióznější“ prvky Neslibovat zázraky, nesklouzávat k „nej …nej … nej …“ Neobejde se bez sponzorování – velké pole pro podniky Stačí i malá podpora fungujících projektů, ztráta jejich „tradice“ se může těžko nahrazovat Dobré příklady česko-slovenské spolupráce

Regionální a evropská spolupráce Maďarsko: 4 reaktory VVER440 (40 % jádro) chystá se stavět nové bloky Polsko: uvažuje o nich Rakousko: bez jádra Německo: jádro, politické rozhodnutí o odstoupení Jihovýchod Evropy: Rumunsko: Cernavoda (2 + 2 reaktory CANDU) Bulharsko: Kozloduj (nyní 2 reaktory VVER1000) Belene (příprava stavby 2 reaktorů) Jaderná elektrárna Paks v Maďarsku Různé podmínky pro využití různých energetických zdrojů – možnost kombinace, vzájemného doplňování a pomoci Efektivní regionální spolupráce nám dodá dostatečnou váhu v Evropě Jen dostatečně velká, spolupracující a jednotná Evropa si může zajistit dostatečnou váhu ve světě a prostor i možnosti pro řešení našich problémů a případných krizí Efektivní spolupráce v „jednotné“ Evropě nám dodá dostatečnou váhu ve světě

Závěr Základy naší technické civilizace stojí na vědeckém výzkumu předchozích generací Pro další její rozvoj je zase potřeba mít vize a cíle I řešení energetických a ekologických problémů se bez dlouhodobé vize neobejde Žádné řešení v této oblasti není samospasitelné – je třeba mít otevřenu řadu možností Je třeba fungující spolupráce mezi průmyslem, vědou, školstvím – Hrozí nedostatek odborníků – prostor pro podporu ze strany podniků Bez regionální spolupráce nebude spolupráce evropská – bez „jednotné“ Evropy těžko dodáme váhy své vizi světa (ať bude jakákoliv)

Ústav jaderné fyziky AVČR