Jak velký je fyzický výkon člověka – Klasická energetika nestačí – Energie uranu a thoria – Problémy s radioaktivním odpadem
Abychom mohli odpovědět na otázku, která je nadpisem této kapitoly, tj. na otázku, zda vůbec lidská společnost potřebuje nové zdroje energie, všimneme si nejdříve krátce, jakou úlohu hraje energie v životě člověka.
Sám pojem energie je dnes každému běžný. Je rovněž všeobecně známo, že s energií se setkáváme v různých formách. Nejbližší je nám energie mechanická, kterou si také dovedeme nejnázorněji představit. Mechanickou energii vynakládáme například tehdy, zvedáme-li nějaký předmět nebo lámeme-li dřevěnou tyč a podobně. Právě tak je mechanické energie zapotřebí k tomu, aby se rozjel vlak, roztočil setrvačník parního válce, vynesla do výšky raketa atd. Rovněž tam, kde působí třetí, a pohyb je tedy brzděn, například při tření otáčející se osy v ložisku, je nutno pro udržení pohybu trvale dodávat mechanickou energii.
Jinou formou energie je teplo. Chceme-li zvýšit teplotu nějaké látky, třeba vody, musíme jí dodat tepelnou energii, například zahřátím na ohni. Stejně pro přeměnu ledu na vodu anebo vody na páru je nutno dodat látce tepelnou energii, tzv. skupenské teplo. Dnes, kdy fyzika pronikla již do nejmenších částeček látek – do atomů a molekul víme, že i teplo je vlastně pohybová mechanická energie. Na rozdíl od předešlého případu nejde ovšem o pohyb celých velkých těles, ale o mikroskopický vzájemný pohyb atomů a molekul v látce. Čím rychleji se tyto částice pohybují, tím vyšší je teplota látky a tím vyšší je také tepelná energie v látce nashromážděná.
Je známo, že mechanickou energii je možno přeměnit na energii tepelnou, například třením.
Obrácený pochod – přeměna tepelné energie v mechanickou – je obtížnější. Uměle byl poprvé uskutečněn v parním stroji. V přírodě probíhá tato přeměna neustále tak, že tepelné zařízení Slunce vypařuje vodu z oceánů a zvedá ji ve formě páry do výše. Část vypařené vody dopadá jako srážky na pevniny, které jsou položeny výše než hladina moře. Tím se část tepelné energii dodávané Zemi Sluncem přeměňuje v mechanickou energii vodních toků. Část tepelné energie Slunce se mění též v mechanickou energii větru, který vzniká nerovnoměrným zahříváním vzduchu Sluncem v různých oblastech Země. V mechanickou energii je možno přeměnit vždy jen část dodávané tepelné energie. U nejmodernějšího parního stroje přeměňuje se v energii mechanickou jen asi jedna pětina tepelné energie získané z uhlí. Z tepelné energie dopadající na Zemi ze Slunce se v mechanickou energii přemění jen zcela nepatrná část. Ostatní zůstává ve formě tepla. Naopak energii mechanickou je možno proměnit v tepelnou zcela beze zbytku. Z tohoto důvodu se někdy říká, že tepelná forma energie je méně „kvalitní“ než mechanická, protože její zpětná přeměna je možná jen částečně.
Další dobře známou formou energie je energie světelná. Je nezbytná nejen pro člověka, ale i pro růst rostlin a život jiných organismů. Dodává ji Slunce, avšak člověk se již velmi dávno naučil získávat ji i uměle, nejdříve rozděláním ohně, později v žárovkách a nejnověji v zářivkách.
„Nejkvalitnější“ formou energie je energie elektrická. Je možno ji téměř beze ztrát měnit na mechanickou v elektromotoru nebo na tepelnou. Lze ji také velmi snadno přenášet na velké vzdálenosti. Opačně můžeme zase mechanickou energii, například energii otáčející se vodní turbíny, téměř beze ztrát měnit dynamem (generátorem) na energii elektrickou.
Kromě těchto forem energie mluvíme ještě často o energii chemické a jaderné. V tomto případě to vlastně nejsou nějaké nové druhy energie, jak jsme o nich dosud mluvili. Jde o to, že některé látky, například uhlí, jsou schopny při chemických změnách (při hoření) vydávat energii, třeba ve formě tepla. Říkáme proto, že v uhlí je utajena energie, a protože tuto energii můžeme uvolnit chemickou reakcí, nazýváme ji chemickou energií. Podobně je možno uvolnit energii při přeměnách některých atomových jader. V tom případě mluvíme o energii utajené v atomových jádrech neboli o jaderné energii.
V obou uvedených příkladech jde vlastně o označení schopnosti chemické sloučeniny nebo atomového jádra vydávat energii. Takovou schopnost nazýváme často potenciální energií. Podobně má vysokou potenciální energii například voda nad přehradou, neboť pádem z výšky je schopna získat pohybovou mechanickou energii, která může roztáčet turbínu elektrárny.
Kdybychom chtěli probrat význam energie pro člověka do všech důsledků, musili bychom si především všimnout toho, že sama existence života je podmíněna neustálým dodáváním energie. Lidský organismus přijímá potřebnou energii ve formě chemické energie obsažené v potravě. Složitými pochody mění se část této energie v lidském těle na energii pohybovou. Tím se udržují v činnosti všechny orgány potřebné k tomu, aby v těle probíhaly základní životní pochody, a umožňuje se fyzická práce. Nekoná-li člověk fyzickou práci, potřebuje k udržení činnosti svého organismu přijmout denně v potravě energii rovnou přibližně 2000 kalorií. Jednotka tepelné energie – kalorie – většině lidí mnoho neříká. Proto přepočítáme tuto energii na jiné jednotky, známé dnes každému z údajů na elektroměru: na kilowatthodiny (kWh). Protože jde v tomto případě o energii tepelnou, a nikoli elektrickou nebo mechanickou, označíme kilowatthodiny tepelné energie hvězdičkou: kWh*. Bude to účelné i později, až se budeme zabývat odhadem zásob energie obsažené v uhlí, naftě a podobně. Vyjádřeno v kilowatthodinách je 2000 kalorií rovno 2,3 kilowatthodiny tepelné energie. Koná-li člověk namáhavou fyzickou práci, stoupne jeho spotřeba na 8000 kalorií za den, tj. na 9 kWh* tepelné energie denně.
To je ovšem jen energie, která je lidskému organismu dodávána potravou.
Aby však člověk mohl žít, musí být zásobeno energií i jeho okolí. Tak například nemůže trvale žít v prostředí s velmi nízkou teplotou, v prostředí bez světla apod.
Avšak vraťme se k té části činnosti člověka, která ho odlišuje od všech ostatních živých tvorů – k výrobní činnosti. Zamyslíme-li se hlouběji, dojdeme k závěru, že při každé výrobní činnosti bez rozdílu je člověk nucen vynaložit na výrobu jakéhokoli předmětu nějakou energii. Tak například i při nejprimitivnějším způsobu výrobu nějakého dřevěného předmětu, třeba násady oštěpu, musil pravěký člověk dodat určité množství energie, aby porazil strom nebo oddělil větev, upravil příslušný tvar atd. Podobně již i v primitivní zemědělské výrobě bylo nutno vynaložit energii při kypření půdy, setí, sklizni, mlácení a mletí obilí i jiných výkonech.
Pro jakoukoli výrobu je tedy dodávání energie nutným předpokladem. Ale není to vždy jen mechanická forma, v níž je energie dodávána. Často se ve výrobních procesech uplatňuje již od nejstarších dob energie ve formě tepla, například při zpracování kovů, nemluvě o přípravě potravy apod.
Energii ve formě tepla měl člověk vždy k dispozici ze zdrojů ležících mimo jeho tělo. Dodávalo mu ji Slunce. Mimoto již v samých začátcích vývoje společnosti naučil se člověk získávat tepelnou energii uvolňující se hořením organických, zvláště rostlinných látek, především dřeva.
Přesto byla až do nedávné doby zdrojem mechanické energie, která se vkládá do výrobního procesu, z převážné části vlastní fyzická síla člověka – energie, která se vytváří v lidském těle přeměnou z energie utajená v potravě. Člověk ovšem odpradávna vyhledával i jiné zdroje mechanické energie, než byla jeho vlastní fyzická práce. Jedním z takových prvních zdrojů byla domácí zvířata. Jejich použití jako tažných zvířat umožňovalo například lehčí obdělávání polí, zlepšilo možnosti dopravy atd. Rovněž energie vodního spádu v řekách a potocích využil člověk velmi brzy k pohonu jednoduchých mlýnů.
Množství energie získané z těchto zdrojů bylo však v celkovém průměru podstatně menší než to, které vkládali všichni členové společnosti do výrobního procesu ve formě své vlastní fyzické práce. Známá ohromná díla, jako jsou egyptské pyramidy, Čínská zeď, stavby staré řecké a římské kultury, byla vytvořena dlouhodobým soustředěním této fyzické energie nesmírného množství lidí na jediném místě.
Teprve v posledních stoletích pokročil způsob výroby tak daleko, že podíl mechanické energie, kterou člověk vkládal do výrobního procesu z cizích zdrojů, začal prudce stoupat a nakonec značně převýšil podíl energie připadající na fyzickou práci člověka. Stále stoupající technika výroby a poznávání nových přírodních zákonitostí umožnily v posledních třech stoletích konstrukci nových zařízení a mechanismů, které nakonec vyvolaly skutečný převrat ve způsobu výroby. Byl to především vynález parního stroje v druhé polovině 18. století. Parní stroj dal lidem možnost měnit tepelnou energii v energii mechanickou a využít tak velmi rozsáhlých zdrojů tepelné energie (uhlí, nafty) k získání energie mechanické. Vynálezy dynama a elektromotoru, uskutečněné v 19. století, umožnily přeměnit mechanickou energii v elektrickou a přenášet ji bez mechanických transmisí i do míst vzdálených od přírodních zdrojů energie. Spolu s konstrukcí spalovacího motoru daly tyto vynálezy základ současné vyspělé výrobní technice.
A tak teprve od okamžiku, kdy se člověk naučil získávat dostatečné množství mechanické energie z energie tepelné, a zvláště když dokázal tuto energii přeměnit v elektrický proud a zavést ji do libovolného místa, nastal prudký, dříve nevídaný vzestup výroby. Fyzická energie člověka hraje při něm menší a menší úlohu. Výroba i spotřeba energie rostou zvláště v posledních desetiletích na celém světě neobyčejně rychle, a tím ovšem roste i potřeba jejích zdrojů.
Abychom si udělali přesnější představu o jednotlivých zdrojích energie, kterých se dnes používá anebo kterých se bude používat v budoucnosti, probereme je jeden po druhém.
Fyzický výkon člověka
Množství energie, které je člověk schopen ve formě mechanické energie vydat za určitou dobu, například za den, jinými slovy maximální denní fyzický výkon člověka, závisí na biologických vlastnostech organismu a je pochopitelně omezeno. I když je u jednotlivců tento maximální denní výkon různý, jsou dnes známy poměrně přesné statistické údaje, získané měřením na velkém počtu lidí.
Maximální fyzický výkon, který je člověk schopen ve formě mechanické energie trvale vydávat po dobu asi 8 hodin, je roven jednomu stu wattů (100 W). To tedy odpovídá 800 Wh (osmi stům watthodin) neboli 0,8 kWh energie za den. Tuto mechanickou energii vydá ovšem za den jen člověk zabývající se těžkou fyzickou prací. Naprostá většina lidí vydá při 8 hodinách práce mnohem méně mechanické energie.
Srovnejme tento maximální denní výkon člověka například jen s množstvím elektrické energie, které se denně vyrobí v ČSR. V roce 1957 bylo v ČSR vyrobeno celkem 17 720 miliónů kilowatthodin elektrické energie. To znamená, že na jednoho obyvatele připadá za rok 1320 kWh vyrobené elektrické energie, tj. za jeden den 3,62 kWh. Proti 0,8 kWh denně, které je člověk schopen vydat ve formě mechanické energie, je to čtyřiapůlkrát více. To jsme ovšem při výpočtu počítali se všemi obyvateli ČSR (13 400 000), tedy i s dětmi a starými lidmi. Mimoto je další mechanická energie vyráběna přímo (bez přeměny na elektrickou) ve spalovacích motorech a parních strojích. Množství mechanické energie vyrobené ze zdrojů jiných, než je fyzická práce člověka, převyšuje proto v ČSR ještě více než čtyřiapůlkrát energii, kterou by ve formě mechanické energie byli schopni vynaložit všichni obyvatelé ČSR.
V ČSR má tedy vlastní fyzický výkon člověka při výrobě v celkovém průměru již zcela podřadné místo. Hlavní funkce lidí ve výrobním procesu je usměrnit působení energie získané z jiných zdrojů podle potřeb výroby.
Není to však takové na celém světě. V zemích s málo vyvinutým průmyslem je situace obrácená – množství vyrobené energie není vyšší než fyzická energie člověka. Avšak i v těchto zemích je patrný rychlý růst výroby energie. Tak například v Čínské lidové republice stoupla od roku 1956 do roku 1957, tj. za jediný rok, výroba elektrické energie z 0,075 kWh na obyvatele za den na 0,086 kWh, tj. o 15 %. Tento růst odpovídá zdvojnásobení výroby elektrické energie za necelých pět let. Výroba elektrické energie stoupá rychle i v průmyslově vyvinutých zemích. V ČSR stoupla za posledních deset let téměř dvaapůlkrát. Z toho je zřejmé, že výroba a spotřeba energie bude na celém světě velmi rychle stoupat i v budoucnosti, tím spíše, že možnosti jejího použití ve výrobě jsou prakticky neomezené. Fyzický výkon člověka přestane hrát rozhodující úlohu postupně ve všech zemích světa a získávání energie z jiných zdrojů, než je fyzická práce člověka, bude stále běžnější. Tím budou vytvořeny předpoklady pro zajištění vysoké životní úrovně všech příslušníků lidské společnosti, nejen privilegovaných vrstev, které využívaly práce ostatních. Nutných předpokladem k tomu ovšem je, aby byly stále k dispozici dostatečné zdroje energie. Jinak by bylo další zvyšování výroby, a tím i životní úrovně lidstva znemožněno. Podívejme se tedy nejdříve. Jak to vypadá se zdroji energie, kterých se ve světě dosud používalo. Jsou to tzv. fosilní paliva, tj. uhlí a nafta, a energie řek.
Uhlí a nafta
Hlavním zdrojem energie, jiným než fyzická práce člověka, je dnes uhlí a nafta. Energie se z nich získává ve formě tepla a v parních strojích, parních turbínách a spalovacích motorech se mění v energii mechanickou.
Určit přesně zásoby uhlí a nafty na celém světě je prakticky nemožné. Geologickým průzkumem se stále ještě objevují nová naleziště. Například v letech nedávno minulých byla nalezena velká ložiska uhlí v Čínské lidové republice a v SSSR v oblasti Sibiře. Nelze proto vyloučit, že nový průzkum, zvláště v neobydlených oblastech světa, povede ještě k novým nálezům. Avšak sotva se dá očekávat, že se celkové množství známých zásob paliva na světě nějak zvlášť podstatně zvýší.
V tabulce 1 jsou uvedeny alespoň přibližně odhadnuté zásoby pevných paliv (uhlí, rašeliny) a kapalných paliv (nafty) na světě celkem a pak zvlášť v několika oblastech. Protože jedna tuna uhlí vydá hořením přibližně 8000 kWh* tepelné energie a jedna tuna nafty přibližně 12 000 kWh*, má celková zásoba těchto paliv energetický obsah zhruba 90.1015 kWh*.
Přesná odpověď na otázku, na jak dlouho vydrží uvedené zásoby, by byla možná jen tehdy, kdybychom dovedli přesně předpovědět, jak rychle bude stoupat spotřeba energie získané z uhlí a nafty. Obou těchto látek se ovšem používá i k jiným účelům než k výrobě mechanické energie. Zvláště uhlí se široce uplatňuje v metalurgii, a zejména v nejnovější době stále více v chemii.
Tato okolnost rovněž ztěžuje přesný odhad růstu spotřeby uhlí a nafty. Vypočtená doba, na kterou zásoby vydrží, závisí proto vždy na předpokladech, které učiníme o růstu této spotřeby. Například kdyby uhlí a nafta zůstaly hlavním zdrojem energie a kdyby se spotřeba energie na obyvatele neměnila a neměnil se ani počet obyvatel Země, vystačila by zásoba uhlí a nafty asi na 5000 let. Ovšem takový předpoklad je naprosto nemyslitelný. Spotřeba energie v celém světě rychle stoupá. To je zvláště dobře patrno na výrobě elektrické energie. Za posledních dvacet let – od roku 1937 do roku 1957 – stoupla výroba elektrické energie v ČSR 4,3krát, v USA 4,9krát, v SSSR 5,8krát. Kdybychom počítali dobu, na jak dlouho vydrží zásoby uhlí a nafty, na základě předpokladu, že za každých dalších dvacet let se spotřeba těchto surovin ve světě zdvojnásobí, pak bychom zjistili, že známé zásoby by byly vyčerpány již za méně než 200 let.
Energie vodních toků
Vody v řekách, stékající z vysokých hor až na úroveň mořské hladiny, může být rovněž využito jako zdroje energie. Výhoda tohoto zdroje je v tom, že působí stále, bez dodávání paliva. Této energie není ovšem možno využít úplně, protože to v mnoha místech nedovoluje tvar terénu nebo poloha měst. Stejně tak tam, kde voda stéká ve formě malých potoků, je úplné využití vodní energie zřídkakdy možné. Budeme-li zkoumat tu část spádu řek, kterou lze prakticky zužitkovat, dostaneme čísla uvedená pro přehlednost v tabulce 2. Odhadnutý celkový užitečný výkon vodního spádu v řekách na celém světě je asi 5,45.109 MWh/rok. Přepočteno na jednoho obyvatele (počet obyvatel Země je nyní zhruba 2 miliardy 620 miliónů lidí) činí tento výkon 5,7 kWh/den. Je to tedy zhruba o 50 % více než výkon 3,62 kWh/den, vyrobený v ČSR ve formě elektrické energie na jednoho obyvatele v roce 1957. Energie řek tvoří tedy dnes ve světovém průměru ještě značnou rezervu. Z tabulky 2 je rovněž zřejmé, že největší množství zužitkovatelného vodního výkonu má Afrika a SSSR. V SSSR mají na něm největší podíl hlavně sibiřské řeky.
Vypočtený průměrný výkon 5,7 kWh/den na obyvatele, který by bylo možno získat využitím spádu vodních toků na celém světě, je sice značný, avšak ve vzdálenější budoucnosti nepostačí krýt stále stoupající spotřebu energie. Kromě toho je výkon zužitkovatelného vodního spádu rozdělen po světě velmi nerovnoměrně. V SSSR například činí 17 kWh/den na jednoho obyvatele, což je 5,5krát více než výroba elektrické energie v SSSR v roce 1957 připadající na jednoho obyvatele (3,1 kWh/den). V USA je výkon zužitkovatelného vodního spádu 7 kWh/den na jednoho obyvatele. To je jedenapůlkrát méně než denní výroba elektrické energie v USA na jednoho obyvatele (11 kWh/den v roce 1957). V ČSR, kde nejsou velké řeky s velkým spádem, je zužitkovatelný výkon vodních toků hluboko pod světovým průměrem, třebaže i toto množství má pro náš stát značný význam.
I když tedy využívání energie řek na celém světě umožní ještě značně zvýšit výrobu elektrické energie v poměru k současnému stavu, trvalý růst této výroby pro vzdálenější budoucnost nelze tímto způsobem zajistit.
Klasické zdroje energie nestačí
Provedený rozbor tedy ukazuje, že zdroje energie, kterých se dosud používá – říká se jim nyní často klasické zdroje – nestačí krýt stoupající potřebu energie ve vzdálenější budoucnosti. To platí pro celosvětový průměr. Podíváme-li se na tabulku 1, vidíme, že zásoby zdrojů energie jsou na světě rozděleny velmi nerovnoměrně. Největší zásoby fosilních paliv (uhlí, nafty, rašeliny) mají Sovětský svaz, Spojené státy americké a Čínská lidová republika. Naproti tomu některé jiné země, například Indie, mají takových zásob nesmírně málo. Otázka nových zdrojů energie není tedy pro všechny země stejně naléhavá. Zatímco SSSR má zásoby fosilních paliv na řadu staletí i při velmi rychle stoupající spotřebě energie, musila by například Indie k pozvednutí své výroby na úroveň vyspělé průmyslové země buďto již v nejbližších desetiletích trvale dovážet velké množství uhlí, nebo najít nové zdroje energie. Dovozem na velké vzdálenosti se ovšem uhlí značně zdražuje. I kdyby tu tedy nebyly další faktory, jako snaha po dosažení nezávislosti na dovozu takových základních potřeb, je přeprava na velké vzdálenosti ekonomicky velmi nevýhodná.
K zemím, v nichž se projeví nedostatek klasických zdrojů energie již v nejbližších desetiletích, patří i Československo. Energie vodních toků v ČSR není veliká. Také zvyšování těžby uhlí má své meze, tím spíše, že jeho zásoby jsou omezeny a že uhlí je důležitou surovinou i pro chemickou výrobu a metalurgii, takže nemůže sloužit jen k získávání energie. Kdyby v budoucnosti došlo v jednotlivých zemích a nakonec i v celém světě k tomu, že by byly klasické zdroje energie vyčerpány a nové by nebyly k dispozici, mělo by to pro rozvoj lidské společnosti katastrofální důsledky. Výroba, která je základem zajištění životní úrovně obyvatelstva, by nejen nemohla dále růst, ale dokonce by bylo nutno ji omezit. To by znamenalo pokles životní úrovně lidí.
Aby k tomu nedošlo, bude lidská společnost v budoucnosti nucena používat ještě jiných zdrojů energie, než jsou fosilní paliva a energie řek. Všimněme si možností, které se dnes ukazují.
Energie přílivu a odlivu
Je známo, že hladina oceánů neustále kolísá působením přitažlivé síly Měsíce. Na březích oceánů se toto kolísání projevuje jako příliv a odliv. Pohyb ohromných vodních mas vyvolaný Měsícem způsobuje, že rozdílu výšky hladiny při přílivu a odlivu je možno využít k získávání energie. Provedení je celkem jednoduché. Na mořském pobřeží se vybudují velké nádrže oddělené hrází od mořské hladiny. Nádrž se při přílivu naplní vodou z moře. Potom se spojovací kanál uzavře, a když hladina moře klesne, využije se vyšší hladiny v nádrži k pohánění speciální turbíny. Voda z nádrže se přitom přes turbínu vypouští do moře. Jakmile odliv skončí a mořská hladina začne znovu stoupat, uzavře se opět kanál mezi nádrží a mořem, vyčká se, až vznikne rozdíl hladin, a potom se přes turbínu opět žene spádem mořská voda, tentokrát směrem z moře do nádrže.
Teoreticky zužitkovatelný výkon mořského přílivu a odlivu na celém světě přesahuje zužitkovatelný výkon řek podle přibližného odhadu asi sedmkrát. Prakticky je však využití energie přílivu a odlivu velmi obtížné, jednak proto, že rozdíl hladin přílivu a odlivu je poměrně malý, průměrně 0,7 metru, jednak proto, že je jen velmi málo míst, kde je pobřeží již od přírody vhodné ke zřízení přílivových elektráren. K tomu, aby elektrárna měla dostatečný výkon, je totiž nezbytné, aby se zaplavovaná část pobřeží jen velmi povlovně svažovala směrem k moři. Pak je možno vytvořit hrázemi potřebné nádrže s dostatečnou plochou. Takových míst je na světě jen velmi málo a je pochopitelné, že úprava pobřeží v rozsahu mnoha desítek čtverečních kilometrů pro jedinou elektrárnu by byla zcela neúměrně nákladná. Proto ani jediná taková elektrárna nebyla dosud postavena. Teprve v poslední době se objevily zprávy o úmyslu realizovat projekt přílivové elektrárny ve Francii. Elektrárna má být postavena již v nejbližších letech, a to v ústí řeky La Rance. Má mít výkon 342 MW. Uskutečnění projektu je umožněno nejen výhodným tvarem pobřeží na zvoleném místě, ale také tím, že rozdíl hladin přílivu a odlivu v ústí této řeky dosahuje několika metrů, tj. je značně vyšší než průměrný.
Tento projekt přílivové elektrárny je však na celém světě ojedinělý, především proto, že stavba těchto elektráren by byla v jiných místech, kde by se terén musil teprve upravovat, příliš drahá. Nemůže proto dnes zatím soutěžit s běžnými způsoby výroby elektrické energie. Kdyby ovšem v budoucnosti zdroje energie nestačily, našly by pravděpodobně přílivové elektrárny větší uplatnění. Avšak ani od nich, jak je zřejmé z uvedeného rozboru, nelze očekávat vyřešení problému zdrojů energie ve vzdálenější budoucnosti.
Přímé využití sluneční energie
Kromě přílivu a odlivu využívají všechny zdroje energie, o nichž jsme dosud mluvili, nepřímo energie Slunce. V tzv. fosilních palivech, tj. v uhlí, naftě, rašelině apod., je sluneční energie uložena z pradávných dob, kdy působením slunečního světla a tepla vyrůstaly na Zemi rostliny, které hromadily ve svých tělech energii a po svém zániku se přeměnily dlouhodobými pochody v paliva, kterých dnes využíváme. Také energie řek má svůj původ ve slunečním záření, jež působí stálý koloběh vody.
Ve všech těchto případech je ovšem sluneční energie využito nepřímo. Je však velmi lákavá myšlenka využít sluneční energie přímo, tj. přeměnit tepelné a světelné paprsky dopadající na Zemi ze Slunce nějakým způsobem na mechanickou nebo elektrickou energii.
Energie, která na Zemi dopadá ze Slunce, je sama o sobě obrovská. V průměru dopadá například za den na 1 čtvereční metr zemského povrchu 0,5 kWh energie ve formě tepelného a světelného záření.
Na vnější hranici atmosféry celé Země dopadá stále sluneční energie, jejíž výkon je 180 000 miliard kW. Kdyby se například podařilo přeměnit jen jednu desítitisícinu tohoto výkonu na energii mechanickou nebo elektrickou, znamenalo by to výrobu asi 160 kWh/den na jednoho obyvatele. To je pětačtyřicetkrát více než spotřeba elektrické energie za den na jednoho obyvatele v ČSR v roce 1957.
Přímé využití sluneční energie pro výrobu elektřiny ve velkém naráží však na vážné obtíže. Je například možno vyrobit páru ohříváním vody slunečními paprsky, které se soustřeďují zrcadly. Před lety byla již taková zařízení zkonstruována. Jsou však velmi složitá a málo účinná, takže výroba elektrické energie tímto způsobem, tj. zahřátím páry, je krajně nevýhodná.
Velmi lákavé je i použití tzv. polovodičových slunečních baterií, které umožňují přímou přeměnu světelné nebo tepelné energie, jejímž zdrojem je Slunce, v energii elektrickou. Je známo, že taková baterie byla instalována i na třetí sovětské umělé družici Země a napájela vysílač, který vysílal stálé signály k Zemi. Podobná zařízení se instalují pro telefonní zesilovače v neobydlených krajinách v USA. Jsou vyvinuty též radiopřijímače pracující se slunečními bateriemi. Ve slaboproudé elektrotechnice je tedy využití přímé přeměny sluneční energie na elektrickou dnes již prakticky uskutečněno, jde ovšem vždy jen o nepatrné elektrické výkony.
Pro výrobu elektřiny ve velkém není však zatím možno polovodičových baterií použít. Hlavním důvodem není malá účinnost přeměny (je rovna několika %, avšak v některých článcích z křemíku dosahuje výjimečně až 11 %), nýbrž složitost výroby polovodičových slunečních baterií. Ke konstrukci těchto baterií je totiž nutno používat extrémně čistých látek a složitých chemických i fyzikálních výrobních postupů. Uvážíme-li, že elektrárna ze slunečních baterií by v blízkosti rovníku musila mít pro výkon 500 MWh/den (výkon středně velké hydroelektrárny) i při účinnosti 10 % účinnou plochu asi 500 000 m2, je zřejmé, že vyrobit pro tento účel ohromný počet slunečních polovodičových článků by se vyplatilo teprve tehdy, kdyby tato výroba byla nesmírně levná. Zatím vše nasvědčuje tomu, že výroba slunečních článků bude vždy vyžadovat velké pečlivosti a jemnosti, a bude proto dosti nákladná.
Při těchto úvahách jsme nemluvili o další nevýhodě, totiž o nepravidelnosti, s jakou je dodávána sluneční energie. Sluneční elektrárny by pracovaly jen ve dne, a to ještě jen za jasného počasí.
Všechny tyto důvody způsobují, že se sluneční energie pro přímou výrobu elektřiny ve velkém nepoužívá.
Jaderná energie uranu a thoria
Pohled do vzdálenější budoucnosti by tedy byl pro rozvoj energetiky dosti neutěšený, kdyby se nebylo v roce 1939 podařilo fyzikům objevit nový, zcela neočekávaný jev: štěpení jader jednoho z nejtěžších prvků – uranu – působením známých elementárních části bez elektrického náboje, tzv. neutronů. Při štěpení uranových jader se uvolňuje nesmírné množství energie, miliónkrát převyšující energii, která se uvolní spálením stejného váhového množství uhlí. Velikost energie, která se uvolňuje při jaderných přeměnách, byla známa již dříve z jevu přirozené i umělé radioaktivity a z pokusného provádění umělých jaderných přeměn v urychlovačích. Avšak jev štěpení těžkých jader měl proti předešlým tu výhodu, že ho bylo možno použít k získání velkého množství energie bez zvláštních obtíží. Skutečně také již za tři roky po tomto novém objevu postavil kolektiv vědců z celého světa, vedený italským fyzikem Fermin, první uranový reaktor, který uvolňoval energii štěpení urnových jader ve formě tepla.
Množství energie, které je teoreticky možno získat při plném využití z 1 g uranu, se rovná 24 000 kWh*, je tedy zhruba stejně veliké jako množství tepelné energie, které se získá spálením tří tun kvalitního uhlí. Avšak v současné době se v reaktorech získá této energie podstatně méně: z jednoho gramu přírodního uranu se uvolní asi stejné množství tepelné energie jako spálením deseti kilogramů uhlí. Je to proto, že se v běžných uranových reaktorech využije jen jednoho ze dvou izotopů, z kterých se skládá přírodní uran. Je to izotop s hmotovým číslem 235, který se snadno štěpí. Tohoto izotopu je však v přírodním uranu jen 0,7 %, tj. na každý atom uranu 235 připadá v přírodním uranu 140 atomů druhého izotopu s hmotovým číslem 238. Atomová jádra tohoto druhého izotopu se v normálním reaktoru neštěpí.
Dnes však jsou již známy způsoby jak využít i uranu 238 k získávání energie. Postupuje se tak, že uran 238 se v reaktoru přemění působením neutronů na nový prvek, který se v přírodě normálně nevyskytuje – plutonium s hmotovým číslem 239. Tento nový prvek se štěpí stejně lehce jako uran 235 a lze ho proto použít jako jaderného paliva v reaktoru. Postupnou přeměnou uranu 238 na plutonium v reaktorech bude v zásadě umožněno využít téměř veškeré energie utajené v jádrech přírodního uranu. V takovém případě by se dalo z jednoho kilogramu přírodního uranu získat zhruba stejné množství energie jako z tisíce tun kvalitního uhlí.
Přesné údaje o zásobách uranové rudy v jednotlivých zemích nejsou v současné době zveřejněny. Odhaduje se však, že energetický obsah známých ložisek uranu přesahuje daleko více než desetkrát zásoby energie obsažené v nalezištích uhlí a nafty celého světa.
Další těžký prvek, z jehož jader je možno získávat energii, je thorium. Vlastnosti jader thoria jsou podobné vlastnostem obtíže štěpitelného uranu 238. Avšak stejně jako je možno uran 238 přeměnit v reaktoru na snadno štěpitelné plutonium, je možno i thorium přeměnit v reaktoru působením neutronů na nový izotop uranu s hmotovým číslem 233. Tento izotop uranu se působením neutronů štěpí stejně snadno jako uran 235 nebo plutonium.
Štěpením uranu 235 je tedy možno v reaktoru jednak získávat energii, jednak současně přeměňovat buď uran 238 na plutonium, nebo thorium na uran 233. Tyto nově vyrobené izotopy pak mohou znovu sloužit jako jaderné palivo. K jejich výrobě je ovšem nutno použít zvláštního typu reaktoru, tzv. „plodícího“ reaktoru. Tento reaktor je schopen kromě energie vyrábět ještě další jaderné palivo. Nové palivo vzniká samozřejmě jen v omezeném množství, může ho však být znovu použito k získávání energie v reaktoru a současně k přeměně dalšího uranu 238 (nebo thoria) na snadno štěpitelné izotopy. Takovým postupem je zásadně možno přeměnit téměř všechen uran a thorium na jaderná paliva – na plutonium a uran 233 – vhodná pro získávání energie.
Prvek thorium – je to těžký kov s podobnými chemickými vlastnostmi, jako má baryum – se v zemské kůře vyskytuje ještě ve větším množství než uran. Pokud je známo, zatím se ho v reaktorech pro výrobu uranu 233 nepoužívá, a to hlavně proto, že zásoby uranu zatím stačí. V budoucnosti by však při plném využití uranu a thoria pro výrobu energie zužitkovatelné zásoby těchto prvků na Zemi stačily krýt stoupající spotřebu energie po tisíce let.
Uran a thorium zbavují tedy lidstvo starostí o zdroje energie na poměrně dlouhou dobu. Člověk se využitím energie jader těchto prvků poprvé odpoutal od zdrojů energie vytvořených na Zemi Sluncem.
Je výhodné stavět uranové elektrárny?
Po první uranové jaderné elektrárně, která byla dána do provozu v SSSR v roce 1954 a má výkon 5000 kW (čili 5 megawattů, MW), byly postaveny další, které jsou dimenzovány na podstatně vyšší výkon. Tak v Sovětském svazu byla v roce 1958 spuštěna první část velké jaderné elektrárny s výkonem 100 MW. Po dokončení bude mít celá elektrárna výkon 600 MW. Také ve Spojených státech amerických byla uvedena do provozu elektrárna s uranovým reaktorem. Její výkon je 90 MW. Ve Velké Británii pracuje elektrárna s uranovým reaktorem, která má elektrický výkon 70 MW.
I když je dnes výroba elektrické energie z jaderné energie uranu v zásadě vyřešena, nelze říci, že je dnes již nalezen i ekonomicky nejvýhodnější způsob této výroby. Přestože uvedené atomové elektrárny dodávají již značný elektrický výkon, bylo účelem jejich výstavby především ověřit, které z dnes známých technických řešení je ekonomicky nejvýhodnější.
V těch zemích, kde jsou dostatečné zásoby uhlí a nafty, není dnes získávání elektrické energie z uranu většinou ekonomicky výhodné. Na II. ženevské konferenci o mírovém využití atomové energie v roce 1958 podal V. S. Jmeljanov, vedoucí sovětské delegace, podrobný rozbor této otázky pro SSSR. Ukázal, že Sovětský svaz má velké zásoby klasických zdrojů energie, a proto nemusí počítat s rozsáhlým programem staveb uranových elektráren. Tyto elektrárny se v SSSR uplatní jen v oblastech, kde klasické zdroje nestačí krýt spotřebu, takže by bylo nutno dovážet velké množství uhlí ze vzdálených míst. Jsou to jednak kraje s velkou hustotou průmyslu, jednak daleké severní oblasti Sovětského svazu. Ani Spojené státy, které mají velké zásoby klasických zdrojů energie, nepočítají s masovým rozvojem jaderné uranové energetiky.
Zcela jiná situace je například v Anglii, kde je klasických zdrojů energie nedostatek. Proto se počítá s velmi rozsáhlým programem výstavby jaderných uranových elektráren. Podle odhadu anglických ekonomů budou v Anglii již v roce 1963 náklady na jednu kilowatthodinu elektrické energie vyrobenou v jaderných uranových elektrárnách stejně veliké jako v tepelné elektrárně poháněné uhlím. Je to proto, že nedostatek klasického paliva v Anglii zvýší náklady na provoz tepelných elektráren, kdežto další zdokonalování elektráren uranových náklady na kilowatthodinu elektrické energie v budoucnosti ještě sníží.
Jeden ze států, který bude pravděpodobně nucen již v blízké budoucnosti orientovat svou energetiku na jaderné uranové elektrárny, je Indie. Je to proto, že Indie má naprostý nedostatek fosilních paliv. Rovněž Holandsko počítá z téhož důvodu s rozsáhlým rozvojem jaderné energetiky.
I Československo patří k zemím, které v dosti blízké budoucnosti budou pravděpodobně nuceny intenzívně rozvíjet jadernou energetiku. Další zvyšování průmyslové výroby a její automatizace kladou totiž na výrobu energie zvlášť vysoké požadavky, které z klasických zdrojů nebude možno u nás plně krýt.
Dosud jsme ovšem mluvili o budoucnosti poměrně blízké. Je jasné, že ve vzdálenější budoucnosti budou se zásoby uhlí a nafty postupně vyčerpávat i v zemích, které jsou na ně nejbohatší. Nebude-li tedy nalezen, jiný, výhodnější způsob získávání energie, stanou se uran a thorium během jednoho nebo nejvýše dvou set let hlavními zdroji energie pro lidskou společnost.
Potíže s radioaktivním odpadem
Ačkoli se s využíváním jaderné energie štěpení těžkých prvků teprve začalo, objevují se již určité nesnáze, které vědce a techniky vážně znepokojují. Důvodem jejich znepokojení není však okolnost, že náklady na výrobu jedné kilowatthodiny elektrické energie jsou vyšší než u klasických způsobů, nýbrž jiná, zcela neodstranitelná vlastnost reakcí jaderného štěpení. Při rozštěpení těžkého jádra (uranu nebo plutonia) vznikají totiž jádra izotopů lehčích prvků, která jsou velmi silně radioaktivní. Při provozu se v reaktoru jádra uranu (nebo plutonia) štěpí a postupně v něm přibývá produktů štěpení – radioaktivních izotopů lehčích prvků, jako například radioaktivního lanthanu, stroncia, ceru atd. Aby reaktor mohlo pracovat dále, je nutno z něho tyto produkty štěpení čas od času odstraňovat. Uvedené radioaktivní izotopy jsou jakousi analogií popelu, který vzniká při hoření chemického paliva, například uhlí. „Popel“ vznikající při štěpení jaderného paliva je však velmi silně radioaktivní. Aby lidé nebyli ohroženi pronikavým zářením nebo aby radioaktivní látky dokonce nevnikly do jejich organismu, je nutno radioaktivní „popel“ z reaktorů ukládat daleko od lidských obydlí a zabránit tomu, aby radioaktivní látky pronikaly do pitné vody, do půdy, do ovzduší apod. Dnes ještě není počet reaktorů veliký, takže se vystačí s ukládáním odpadů do opuštěných dolů nebo s vypouštěním do moře. Avšak při širokém použití uranových reaktorů pro výrobu elektrické energie se radioaktivní odpady stanou nesmírně vážným problémem. Uveďme srovnání. Kdyby se všechna elektrická energie vyráběná na světě v současné době (elektrárny celého světa vyrobí za rok přibližně téměř 2000 miliard kWh) získávala štěpením uranu v reaktorech, vzniklo by za jeden rok stejné množství radioaktivního odpadu jako při výbuchu asi jednoho sta tisíc atomových bomb stejné ráže, jako byla bomba svržená na Hirošimu v roce 1945.
Je zde ovšem zásadní rozdíl. Výbuchem bomby jsou radioaktivní odpady rozmetány do okolního prostoru, kdežto v reaktoru jsou uzavřeny a je možno odstranit, aniž zamoří okolí. V blízké budoucnosti nebude radioaktivních odpadů mnoho, a jejich bezpečné ukládání nebude proto velkým problémem. Avšak pro vzdálenější budoucnost, kdy by již většina energie byla získávána štěpením těžkých prvků, je problém ukládání odpadů velmi vážný.
Zvláště pro vzdálenou budoucnost nelze proto uran a thorium pokládat za ideální zdroje energie. Kdyby se našel jiný způsob získávání jaderné energie, který by nebyl spojen se vznikem radioaktivních odpadů, bylo by jistě třeba dát mu přednost před jaderným štěpením.
Nová perspektiva: Jaderná syntéza
Jaderné reakce, při kterých nevznikají radioaktivní odpady, a uvolňuje se energie, byly fyzikům známy dokonce dříve než reakce štěpení jader těžkých prvků. Jsou to reakce, při nichž se jádra lehkých prvků spojují a vytvoří jádro těžšího prvku. Je to tedy proces v určitém smyslu opačný než štěpení jader těžkých prvků. Podle analogie s chemickými slučovacími reakcemi nazýváme tyto jaderné reakce jadernou syntézou.
První reakce jaderné syntézy byly uskutečněny ve fyzikálních laboratořích v roce 1932 za použití urychlovačů. Tak se například podařilo spojit dva deuterony – tj. jádra těžšího izotopu vodíku, tzv. těžkého vodíku neboli deuteria – na jádro izotopu známého lehkého plynu hélia. Při této reakci jaderné syntézy se uvolní takové množství energie, že kdyby se podařila syntéza jednoho gramu jader deuteria, vydala by stejné množství energie, jako kdyby se spálily tři tuny kvalitního uhlí.
Deuterium je izotop vodíku, a je proto přítomno všude, kde je obyčejný vodík. Jen v oceánech je celkem 26 tisíc miliard tun deuteria. Energie, která by se uvolnila využitím tohoto množství deuteria při právě pospané reakci, je více než desetimiliónkrát větší než energie v známých zásobách uhlí na celém světě. Kdyby se podařilo uskutečnit jadernou syntézu deuteria tak, aby sloužila k výrobě elektrické energie, mělo by lidstvo ve vodě oceánů zdroj jaderného paliva, který by stačil krýt stoupající spotřebu energie po miliardy let. Přitom by nevznikaly obtíže s radioaktivním odpadem, neboť produkt reakce – hélium – radioaktivitu nejeví.
Donedávna se jen autoři nejfantastičtějších románů odvažovali vyslovit domněnku, že by obyčejná voda mohla být zdrojem energie. Dnes je takový problém předmětem vážných vědeckých prací jak experimentálních, tak teoretických. Dokonce na velkých mezinárodních vědeckých konferencích, jako byla například II. mezinárodní konference o mírovém využití atomové energie v Ženevě, jsou vedeny rozsáhlé diskuse o výsledcích, kterých již bylo na cestě k uskutečnění tohoto lákavé cíle dosaženo.
Avšak stejně velké, jako jsou výhody využití energie jaderné syntézy lehkých prvků, jsou i obtíže, s kterými se člověk při řešení tohoto problému setkává. K tomu, aby reakce jaderné syntézy probíhaly s dostatečnou účinností, je totiž nutno příslušnou látku – například deuterium – zahřát na teplotu desítek, a dokonce i stovek miliónů stupňů. Tyto jaderné reakce vyvolávané vysokou teplotou látky neboli tzv. termonukleární reakce byly zatím na Zemi uměle uskutečněny jen ve formě prudkého výbuchu. Tato forma však není pro výrobu energie vhodná. Ovládnout termonukleární reakci tak, aby její průběh neměl formu zničujícího výbuchu, neboli uskutečnit tzv. řízenou termonukleární reakci se na Zemi dosud nepodařilo.
Výsledky vědeckých prací v řadě velkých laboratoří v SSSR, USA, Anglii i jinde dávají však do budoucnosti velkou naději. První kroky na cestě k řízené termonukleární reakci byly učiněny. Dnes nikdo nepochybuje o tom, že problém bude jednou úspěšně vyřešen. Jen o době, kdy se tak stane, není mezi vědci jednotné mínění: nejoptimističtější z nich odhadují tuto dobu na deset až dvacet let, nejméně optimističtí tvrdí, že to nebude dříve než za padesát let.
I kdyby si praktické uskutečnění termonukleární elektrárny vyžádalo ještě delší doby, nemůže to být jistě důvodem k menšímu zájmu o tento nový obor fyziky a techniky. Ostatně stačí, když si uvědomíme, že i v dnešních zdrojích – v uhlí, v naftě a ve spádu vodních toků – využíváme energie, která má původ právě v termonukleárních reakcích. Ty ovšem nebyly vytvořeny rukou a mozkem člověka, ale probíhají již po miliardy let v ohromném přírodním termonukleárním reaktoru – v našem Slunci. Ve vesmíru jsou termonukleární reakce vůbec velmi častým jevem. Dávají vzniknout novým sluncím, kde potom probíhají pomalu po miliardy let, anebo způsobuje vzplanutí nových hvězd, tzv. supernov, jestliže se v nitru hvězdy vytvoří podmínky pro termonukleární výbuch. Jen na chladných planetách, jako je naše Země, nemohou probíhat samy od sebe. Avšak zde nastupuje tvořivá síla člověka, která je vysoká uměle v podmínkách zcela jiných, než jaké existují ve hvězdách.
Zdroj: Luděk Pekárek Termonukleární energie, Orbis 1959
