PROBL╔MY S TEPELNOU ENERGI═

Tepelnß energie hraje v energetice nejv²znamn∞jÜφ roli u₧ tφm, ₧e nßÜ ₧ivot na Zemi je mo₧n² jen dφky urΦitΘ pozemskΘ teplot∞ prost°edφ. Tepelnß energie tvo°φ p°esto oporu energetiky, proto₧e teplo jako mΘdium zprost°edkovßvß p°evod chemickΘ energie spalovan²ch paliv. Slou₧φ p°φmo k vytßp∞nφ nebo v d∙le₧it²ch pr∙myslov²ch procesech (nap°. ve v²rob∞ ₧eleza a oceli), v tepeln²ch motorech se pak m∞nφ na mechanickou prßci, slou₧φcφ k pohonu nejr∙zn∞jÜφch stroj∙ a dopravnφch prost°edk∙.
Se zjednoduÜenφm, za kterΘ se p°edem omlouvßme fyzik∙m, se pokusme vysv∞tlit, proΦ prßv∞ tento neju₧φvan∞jÜφ zp∙sob, o kter² se opφrß energetika, probφhß s pom∞rn∞ nφzkou ·Φinnostφ. Pot°ebujeme-li zφskat mechanickou prßci z tepla, co₧ je zßkladnφm principem vÜech druh∙ tepeln²ch motor∙ (parnφmi stroji poΦφnaje, turbφnami a spalovacφmi motory konΦe), je nutnΘ vytvo°it urΦit² tepeln² spßd. P°φrod∞ se tento postup kupodivu zalφbil a takΘ v∞tÜinu jin²ch energii rßda p°em∞≥uje v teplo (nap°φklad t°enφm a odpory). Teplß t∞lesa se tak nezadr₧iteln∞ ochlazujφ a chladnß t∞lesa se p°itom oteplujφ. To by mohlo postupn∞ vyrovnat rozdφl teplot a tepeln² spßd by zmizel. N∞kte°φ filozofovΘ z toho dosp∞li k pochmurn²m ·vahßm o tepelnΘ smrti vesmφru.
K takovΘmu znehodnocovßnφ energie na naÜφ planet∞ vÜak naÜt∞stφ pro nßs dochßzφ nesmφrn∞ pomalu.

Sadi Carnot

M∞nφme-li teplo v prßci v periodicky pracujφcφm tepelnΘm stroji (motoru), pak urΦitß Φßst tepla odebranß z teplejÜφho t∞lesa (T₁), o kterΘ fyzikovΘ mluvφ jako o oh°φvßku, je nutn∞ p°edßvßna t∞lesu chladn∞jÜφmu - chladiΦi - (T₂). Jakß Φßst tepla m∙₧e b²t p°em∞n∞na v u₧iteΦnou prßci, zßle₧φ na rozdφlu teplot obou t∞les, oznaΦovan²ch v²sti₧n∞ji "lßzn∞". Podle tzv. Carnotova cyklu je ·Φinnost tepelnΘ p°em∞ny za ideßlnφch podmφnek dßna vzorcem:

h = T₁ - T₂ / T1 x 100 (% )

Maturantovi bude jasnΘ, ₧e aby ·Φinnost byla stoprocentnφ, musela by se teplota ochlazenφ rovnat absolutnφ nule, tedy prakticky nedostupnΘ hodnot∞ -273,15 ░C. M∙₧e se vÜak zlepÜovat se zvyÜovßnφm vstupnφ teploty T₁ samoz°ejm∞ jen po hranici, kam a₧ to vydr₧φ pou₧itΘ materißly za°φzenφ. Nejmodern∞jÜφ parnφ turbφny pracujφ s teplotou pßry nejv²Üe 640 ░C. Lopatky spalovacφch turbφn s keramick²m nßst°ikem a dutinov²m chlazenφm odolßvajφ dlouhodob∞ a₧ 1000 ░C. To je p°φΦinou onΘ zarß₧ejφcφ nφzkΘ ·Φinnosti tepeln²ch motor∙, kterß se jak u pφstov²ch motor∙, tak u parnφch turbφn pohybuje v rozmezφ od 30 do 40 % a jen v p°φpad∞ p°ed°azenφ spalovacφ turbφny parnφ turbφn∞ v tzv. paroplynovΘm cyklu p°ekroΦφ o mßlo 50 %! TakovΘ ·Φinnosti dosahujφ i vyvφjenΘ magnetohydrodynamickΘ generßtory (MHD), vyu₧φvajφcφ energie proudφcφch ₧hav²ch a elektricky vodiv²ch spalin (horkΘho plazmatu) k indukci stejnosm∞rnΘho proudu ve vinutφ cφvek zabudovan²ch do st∞n ₧ßruvzdornΘho kanßlu (p°em∞na 2 - 3).

ELEKTRICK┴ ENERGIE

Je pro svou Φistotu, univerzßlnost, mo₧nost p°enosu na dßlku a snadn² rozvod neju₧φvan∞jÜφ sekundßrnφ energii. Jejφ podstatou je tok voln²ch elektron∙ p°i vodivΘm spojenφ mφst s rozdφln²m elektrick²m potencißlem. V mechanickou prßci (3 - 1) ji m∞nφ nejr∙zn∞jÜφ typy elektromotor∙ s ·Φinnostφ kolem 90 a₧ 98 %, kterß klesß jen p°i starÜφch zp∙sobech regulace otßΦek a rozb∞hu pomocφ odpor∙. Nejmodern∞jÜφ regulaΦnφ elektropohony °φzenΘ zm∞nou kmitoΦtu a nap∞tφ v tyristorov²ch m∞niΦφch dokß₧φ s minimßlnφ ztrßtou plynule regulovat otßΦky a odpadß pou₧itφ p°evodov²ch sk°φnφ a mechanism∙. S vysokou ·Φinnostφ pracujφ i transformßtory, invertory a k°emφkovΘ usm∞r≥ovaΦe (3 - 3), kterΘ upravujφ nap∞tφ s pr∙myslov²m kmitoΦtem (u nßs 50 Hz) podle pot°eby na jinΘ nap∞tφ, jin² kmitoΦet, nebo nap∞tφ usm∞r≥ujφ. Ni₧Üφ ·Φinnostφ se vyznaΦuje jen p°em∞na energie na sv∞tlo (3 - 4). Tato zß°ivß energie mß lecos spoleΦnΘho s energiφ elektrickou (jde o elektromagnetickΘ vlny), jen₧e jejφm nositelem nejsou elektrony, n²br₧ neutrßlnφ Φßstice zvanΘ fotony.
   Elektrickß energie mß jen jeden podstatn² nedostatek: nedß se skladovat do zßsoby!

Z┴╪IV┴ ENERGIE

Projevuje se jako elektromagnetickΘ vlny nejr∙zn∞jÜφch vlnov²ch dΘlek od centimetrov²ch mikrovln p°es infraΦervenΘ, viditelnΘ a ultrafialovΘ zß°enφ a₧ po tvrdΘ zß°enφ kosmickΘ. Podle energetickΘho a biologickΘho ·Φinku je vyu₧φvßme k nejr∙zn∞jÜφm ·kol∙m. SluneΦnφ zß°enφ, kterΘ na naÜφ planetu p°enßÜφ ₧ivotodßrnou energii (na osv∞tlen² m² dopadß v²kon p°ibli₧n∞ 1 kW), dokß₧φ s p°φznivou ·Φinnostφ 60 - 90 % p°φmo vyu₧φt zejmΘna solßrnφ tepelnΘ kolektory. Slou₧φ k oh°φvßnφ u₧itkovΘ vody, vyh°φvßnφ bazΘn∙ nebo k oh°φvßnφ vzduchu v suÜßrnßch d°eva a pφce. Naproti tomu solßrnφ fotovoltaickΘ Φlßnky, obvykle v podob∞ panel∙ na k°emφkovΘ bßzi, dosahujφ jen ve ÜpiΦkov²ch v²robcφch (nap°φklad pro napßjenφ dru₧ic elekt°inou) ·Φinnosti blφ₧φcφ se k 20 %. Praktickß ·Φinnost je ale poloviΦnφ, a proto r∙znΘ presti₧nφ programy, jako nap°. "Sto tisφc solßrnφch st°ech", jak v N∞mecku, tak v Japonsku zcela zklamaly.

   ZvlßÜtnφm p°φpadem vyu₧itφ zß°ivΘ energie jsou lasery, vynalezenΘ roku 1960. Jsou zalo₧eny na tzv. stimulovanΘ emisi kvantov²ch p°eskok∙ elektron∙ v nejr∙zn∞jÜφch lßtkßch. Nejvφce jsou rozÜφ°eny lasery rubφnovΘ, polovodiΦovΘ a plynovΘ, avÜak jak se ukßzalo, k ôlaserovßnφ" lze vyu₧φt i nejr∙zn∞jÜφ jinΘ materißly a formy energie. Paprsek foton∙, kterΘ laser vysφlß plynule nebo v pulzech dokß₧e energii mimo°ßdn∞ zkoncentrovat a dß se p°esn∞ ovlßdat. Stßvß se neopot°ebiteln²m a nejuniverzßln∞ji pou₧iteln²m nßstrojem technolog∙ (°e₧e, propaluje nebo sva°uje i nejtvrdÜφ materißly), chirurg∙m nahrazuje skalpel, dokß₧e p°enßÜet nesmφrnß kvanta informacφ (optickΘ spoje).

CHEMICK┴ ENERGIE

Hraje v naÜem ₧ivot∞ i v energetice rozhodujφcφ ·lohu. Vyu₧φvßme ji formou spalovßnφ fosilnφch paliv, vznikl²ch p°ed miliony let zakonzervovßnφm pod povrchem naÜφ planety. Vyt∞₧enß a upravenß Φi zuÜlecht∞nß paliva lze dob°e skladovat. Ropa i zemnφ plyn se dß snadno a levn∞ p°epravovat ve velkΘm i na dßlku potrubφm. P°es mnohaletou snahu technik∙ a energetik∙ o dokonalejÜφ a ·Φinn∞jÜφ spalovßnφ nenφ vÜak tento proces nßle₧it∞ "Φist²" a zplodiny ho°enφ, prachov² ·let a exhalace naruÜujφ biosfΘru. V principu se chemickß energie uvol≥uje na ·kor vazeb atom∙ a molekul spalovan²ch lßtek. V nejrozÜφ°en∞jÜφm p°φpad∞ (spalovßnφ uhlφ a uhlovodφkov²ch paliv) probφhß spalovßnφ zjednoduÜen∞ tak, ₧e zah°ßtφm rozkmitanΘ atomy uhlφku C srß₧kami s molekulami vzduÜnΘho kyslφku O₂ splynou sv²mi elektronov²mi obaly. Energetick² stav hladin elektron∙ ve vzniklΘ molekule oxidu uhliΦitΘho CO₂ je snφ₧en a uvoln∞nou energii roznßÜejφ do okolφ zrozenΘ fotony. Tato chemickß reakce se p°enßÜφ urΦitou rychlostφ, zßvisejφcφ na podmφnkßch spalovßnφ, na dalÜφ atomy a molekuly paliva i kyslφku. Triliony foton∙ unikajφcφch z ho°φcφho paliva, nap°φklad na roÜtu topeniÜt∞, p°edßvajφ svoji energii vÜude tam, kam dopadnou. Rozkmitajφ nap°φklad ₧iv∞ji atomy kovovΘ st∞ny kotle. Ty p°edajφ tepelnΘ kmity molekulßm vody uvnit° a voda se uvede do varu. Nßrazy miliard kapiΦek vodnφ pßry na lopatky turbφny v elektrßrn∞ nebo na pφst parnφ lokomotivy uvedou tyto stroje do pohybu. Z∙sta≥me u lokomotivy. Kdy₧ brzdφ, m∞nφ se jejφ kinetickß energie odvozenß p∙vodn∞ z tepla uvoln∞nΘho spßlen²m uhlφm op∞t v tepeln² pohyb molekul a atom∙ kovu, z n∞ho₧ jsou vyrobeny brzdovΘ Üpalky, kola i kolejnice. Lokomotiva zastavφ a neuspo°ßdan² pohyb molekul (teplo) vychlßdajφcφho kovu se p°enßÜφ na okolnφ vzduch a vracφ se tak do p°φrody. A to byl jen jedin² ·zce vybran² pohled na kolob∞h foton∙ a energie kolem nßs!
   Ke spalovßnφ ovÜem m∙₧e dojφt i bez ohn∞ a plamen∙. V tzv. elektrochemick²ch palivov²ch Φlßncφch (5 - 3) je mo₧nΘ mφsto p°φmΘho p°eskoku z vyÜÜφch energetick²ch hladin na ni₧Üφ nechat elektrony prob∞hnout vn∞jÜφm okruhem, v n∞m₧ je zapojen elektrospot°ebiΦ. Proud elektron∙ v okruhu vodiΦ∙ nenφ nic jinΘho ne₧ elektrick² proud, kter² zde byl zφskßn p°φmou p°em∞nou energie - a za studena!

T╪I CESTY K JADERN╔ ENERGII

P°i ho°enφ a jin²ch chemick²ch reakcφch si vlastn∞ jen "vyp∙jΦujeme" energii z pohyb∙ pom∞rn∞ lehouΦk²ch elektron∙ v obalech reagujφcφch prvk∙. Milionkrßt vφc pohybu (a tedy i energie) odhalil Albert Einstein (1879-1955) uvnit° atom∙ v jejich jßdrech. Ve svΘ teorii relativity dosp∞l k nßzoru, ₧e hmotnost je v₧dy a vÜude spjata s energiφ. Usoudil, ₧e hmota je v ustaviΦnΘm vnit°nφm pohybu, jeho₧ prost°ednφky jsou sφly gravitaΦnφ, elektromagnetickΘ a silnΘ a slabΘ jadernΘ interakce. Zßrove≥ vypoΦetl, ₧e ka₧d² kilogram hmoty v sob∞ m∙₧e skr²vat 25 miliard kilowatthodin energie! Toto pozd∞ji potvrzenΘ a pro nßs a₧ neuv∞°itelnΘ mno₧stvφ energie je skryto jak v kilogramu vody, tak v kilogramu chleba, ₧eleza nebo uranu. Teprve uprost°ed druhΘ sv∞tovΘ vßlky se vyu₧itφm objevu Üt∞penφ uranu poda°ilo alespo≥ zlomek tΘto energie z uranu a krßtce potΘ i z plutonia prakticky uvolnit: poprvΘ v pokusnΘm jadernΘm reaktoru, pozd∞ji bohu₧el v atomovΘ pum∞.

V rozdφlech energie, kterß jßdr∙m zb²vß po vynalo₧enφ vazbovΘ energie spot°ebovanΘ k jejich vzniku, nalΘzßme dv∞ mo₧nosti vyu₧itφ energetickΘho spßdu Üt∞penφm nebo f∙zφ jader.

ProΦ prßv∞ jen z t∞chto prvk∙, p°esn∞ji z izotop∙ U 235, U 233, Pu 239 a Pu 241? Jejich jßdra vynikajφ nφzkou vazbovou energiφ velkΘho poΦtu proton∙ a neutron∙, z nich₧ jsou slo₧ena. Po zßsahu zpomalen²m neutronem se rozÜt∞pφ na jßdra prvk∙ st°edn∞ t∞₧k²ch (nap°. baryum-krypton nebo xenon-stroncium), majφcφch vysokou vazbovou energii. Tento rozdφl vazbov²ch energii, odpovφdajφcφ rozdφlu klidov²ch hmotnostφ p∙vodnφch a v²sledn²ch produkt∙ reakce, se pak projevφ podle Einsteinova vztahu jako uvoln∞nß jadernß energie. Krom∞ toho se p°i Üt∞penφ uvol≥ujφ dva a₧ t°i novΘ neutrony, kterΘ po zpomalenφ moderßtorem mohou vyvolßvat dalÜφ Üt∞penφ. Nastßvß tzv. °et∞zovß reakce, mo₧nß prßv∞ jen v uveden²ch Φty°ech Üt∞pn²ch materißlech.
Prakticky se p°i Üt∞penφ jader kilogramu uranu nebo plutonia uvolnφ p°ibli₧n∞ t°φmilionkrßt vφce energie ne₧ z kilogramu spßlenΘho uhlφ. KuliΦka z uranu U235 dokß₧e vydat teplo, srovnatelnΘ s teplem ze spßlen²ch t°φ tisφc vag≤n∙ uhlφ! Zdß se to b²t skv∞lΘ v porovnßnφ s v²nosem chemick²ch reakcφ, avÜak srovnßnφm s ji₧ d°φve zmφn∞n²mi 25 miliardami kWh skryt²mi v ka₧dΘ hmot∞ to je jen pouhß tisφcina, nebo chcete-li jedna desetina procenta. To je takΘ d∙vod, proΦ v tabulce p°em∞n energie ·Φinnost pro jadernΘ procesy rad∞ji neuvßdφme a ponechßvßme ji jen v procesech "nejadern²ch" p°em∞n.

T°i stupn∞ do atomovΘho v∞ku ze sv∞ta pßry a elekt°iny.

V diagramu zobrazujφcφm pr∙b∞h vazbovΘ energie vzta₧enΘ na jeden nukleon u prvk∙ periodickΘ soustavy, se°azen²ch podle atomovΘ hmotnosti, si jist∞ vÜimnete, ₧e existuje jeÜt∞ jeden v²razn∞jÜφ "spßd" slibujφcφ uvoln∞nφ jadernΘ energie, a to na stran∞ nejlehΦφch prvk∙ nap°φklad mezi vodφkem a heliem. K takovΘmu sluΦovßnφ neboli f·zi jader dochßzφ p∙sobenφm obrovsk²ch tlak∙ a teplot v nitru naÜeho Slunce. P°i termonukleßrnφ f·zi m∙₧e kilogram vodφku slo₧enφm jßdra helia z jednotliv²ch nukleon∙ uvolnit energii srovnatelnou se spßlenφm 3 tisφc vag≤n∙ uhlφ. O uskuteΦn∞nφ °φzen²ch termojadern²ch reakcφ (2 - 6, 4 - 6) se pokouÜejφ v∞dci bezmßla padesßt let. Na n∞kter²ch aparaturßch (nap°. zßpadoevropsk² JET v Culhamu, americk² TFTR) se ji₧ poda°ilo f·zi alespo≥ nastartovat a udr₧et po dobu n∞kolika desφtek sekund.
I termojadernΘ reakce uvol≥ujφ vÜeho vÜudy jen jedno procento ve hmot∞ skrytΘ energie. Mo₧nost jejφho plnΘho vyu₧itφ nabφzφ zatφm spφÜe teoreticky jejφ uvoln∞nφ p°i zßniku Φßstic neboli p°i anihilaci. TakovΘ reakce jsou pozorovßny p°i studiu kosmickΘho zß°enφ (1-6) a v∞dci je nejnov∞ji vyvolßvajφ pomocφ velk²ch urychlovaΦ∙ jadern²ch Φßstic (3-6).