V závislosti na kontextu použití, termín jaderná energie zahrnuje několik významů, všechny spojené s fyzikou a reakce z atomových jader .
Radioaktivita je fyzikální jev přírodní, se projevuje tím, že některé typy atomových jader , nestabilní, může rozptýlit formu energie součást jejich počáteční hmotnosti (zpracováno podle známého vzorce E = mc 2 z Albert Einstein ) a spontánně se vyvíjejí směrem ke stabilnějším atomovým jádrům dezintegrací .
Radioaktivní tělo přirozeně vydává tuto energii ve formě toku ionizujícího záření a tepla . Toto teplo je obzvláště intenzivní pro jaderné palivo v reaktoru; to je důvod, proč je vyhořelé palivo skladováno v bazénu vyhořelého paliva poblíž reaktoru. Je to stejný jev, který je původem části tepla kontinentální kůry Země .
Jaderná reakce je interakce, ve které jádro interaguje s jinou částici ( elementárních částic , ale také atomové jádro nebo gama záření ), a podstupuje nukleární přesmyk.
Tyto reakce jsou o to jednodušší, že vedou ke stabilnějším konfiguracím. Rozdíl energie (odpovídající hromadnému defektu ) potom představuje energii uvolněnou reakcí. Tato transformace hmoty na energii (podle slavného vzorce E = mc 2 ) se používá při jaderných štěpných a fúzních reakcích .
Když neutron zasáhne jádro určitých těžkých izotopů , existuje pravděpodobnost, že se zasažené jádro rozdělí na dvě lehčí jádra. Tato reakce, která se nazývá jaderné štěpení , vede k velmi významnému uvolnění energie (řádově 200 MeV na událost, ve srovnání s energiemi chemických reakcí , řádově eV ).
Toto štěpení doprovází emise několika neutronů, které za určitých podmínek kolidují s jinými jádry a způsobují řetězovou reakci . V jaderném reaktoru probíhá tato řetězová reakce za stabilních podmínek, pomalou a kontrolovanou rychlostí. V bombě, kde je hmota náhle umístěna velmi daleko od rozsahu stability, se reakce množí tak rychle, že vede k explozivní reakci.
Důležitost energie emitované během štěpení vychází ze skutečnosti, že vazebná energie na nukleon počátečního jádra je nižší než energie produkovaných jader (přibližně 7,7 MeV na nukleon pro těžké prvky, proti 8, 8 pro železo). Většina energie se nachází ve formě kinetické energie neutronů a dceřiných jader, energie získaná ve formě tepla v reaktorech. Podle CEA se energie vyprodukovaná 1 kg přírodního uranu v jaderném reaktoru rovná energii 10 tun ropného ekvivalentu (špičky). Podle nedávných pozorování gravitačních vln tato vazebná energie pochází z přeměny gravitační energie na kinetickou energii, poté na vazebnou energii během tvorby těžkých prvků procesem r během koalescence dvou hvězd na neutronech (fenomén nazývaný také kilonova ).
Fúze je reakce, ve které jsou dvě atomová jádra dohromady tvoří těžší jádro; například jádro deuteria a jádro tritia se spojí a vytvoří jádro hélia plus neutron. Fúze lehkých jader vydává značné množství energie ze silné interakce , mnohem větší než elektrostatické odpuzování mezi složkami lehkých jader. To má za následek hromadný defekt (viz vazebná energie a E = mc 2 ), přičemž výsledné jádro má hmotnost menší než součet hmotností původních jader.
Tato reakce probíhá pouze za velmi vysokých teplot (několik desítek milionů stupňů), kde je materiál v plazmatickém stavu . Tyto podmínky jsou splněny ve hvězdách, během výbuchu jaderné štěpné bomby, která tak iniciuje termonukleární výbuch ( H bomba ), nebo v experimentálních jaderných reaktorech .
V roce 2021 žádná instalace neumožní čistou výrobu energie řízením reakcí jaderné fúze. Probíhá výzkum s cílem získat plazmu po dostatečně dlouhou dobu, takže vyrobená energie fúze je větší než ta, která se investuje do ohřevu částic. Zejména mezinárodní projekt ITER spojuje výzkumné pracovníky s cílem rozvíjet civilní využití této energie. Montáž tohoto reaktoru začala dnečervence 2020ve francouzském Saint-Paul-lès-Durance a jeho první testy by se měly uskutečnit v roce 2025.
Jaderná energie je asi 1% hmotné energie dané Einsteinovým vzorcem pro masovou energii (zde protonovou):
.Je to energie potřebná k oddělení neutronu od protonu . To je také vazba energie do jádra z atomu vodíku .
Je to řádově miliónkrát větší než chemická energie, která je méně známá a dána Rydbergovou konstantou odvozenou z Bohrovy teorie atomu vodíku:
.Jaderná energie se obecně připisuje hypotetické interakci, silné síle . Teorie vyvinutá o síle soudržnosti jader izotopů vodíku naznačuje, že ji lze vyjádřit vzorcem podobným předchozím a střední hodnoty:
Pořadí rozsahu tohoto neutronové protonové separační energie, se nachází v blízkosti vazební energii 2 H deuterium , 2,2 MeV , nebo 1,1 MeV na nukleonu. Je to polovina oproti částici, kterou je také helium 4, 4 He. Jádra železa Fe a niklu Ni jsou chemické prvky, které mají největší jadernou vazebnou energii, o něco méně než 9 MeV .
Známe vzorce jaderné a chemické energie a odvodíme řád jejich poměru:
Aplikace jaderné energie se týkají hlavně dvou oblastí:
Další aplikací je výroba radioaktivních izotopů používaných v průmyslu (například svařovací radiografie ) a v medicíně ( nukleární medicína a radioterapie ). Lze si představit i jiná použití, například experimenty s výrobou tepla pro zásobování topné sítě , odsolováním mořské vody nebo výrobou vodíku .
Tyto aplikace využívají jaderné reaktory (nazývané také atomové články , pokud jde o nízký výkon, experimentální použití a výrobu radioizotopů). Reakce štěpení jaderného paliva jsou iniciovány, mírné a řízeny v aktivní zóně, tj. Sestava paliva a řídicích tyčí protínána chladicí kapalinou, která z ní odebírá teplo. Toto teplo je poté přeměněno na elektrickou energii (nebo na hnací energii pro námořní pohon) pomocí turbín (parních generátorů).
Jaderné centrum441 reaktorů v provozu v 4. července 2020celkový instalovaný výkon 390 220 MW , z toho 97 154 MW (24,9%) ve Spojených státech, 62 250 MW (16%) ve Francii, 45 518 MW (11,7%) v Číně, 31 679 MW (8,1%) v Japonsku (33 reaktorů pouze 9 z nich bylo povoleno restartovat), 28 437 MW (7,3%) v Rusku a 23 172 MW (5,9%) v Jižní Koreji.
54 reaktorů ve výstavbě v 19 zemích má celkovou kapacitu 57 441 MW , z toho 10 564 MW (18,4%) v Číně, 5 380 MW (9,4%) ve Spojených arabských emirátech, 4 824 MW (8,4 %) %) v Indii, 4 525 MW (7,9%) v Rusku a 3 260 MW (5,7%) ve Velké Británii.
Výroba elektřiny z jaderných elektráren dosáhla v roce 2006 vrcholu 2 661 TWh ; po poklesu na 2 346 TWh v roce 2012 po jaderné havárii ve Fukušimě se v roce 2019 postupně zvýšil na 2 586 TWh .
Podíl jaderné energie na světové výrobě elektřiny činil 10,3% v roce 2017 oproti 3,3% v roce 1973. Hlavními zeměmi vyrábějícími jadernou elektřinu jsou USA (31,8% z celkového počtu na světě), Francie (15,1%), Čína (9,4%) , Rusko (7,7%) a Jižní Korea (5,6%).
Po jaderné havárii ve Fukušimě poklesla výroba jaderné energie z 2 518 TWh v roce 2011, tj. 13,5% celosvětové výroby elektřiny, na 10,8% v roce 2012, a do roku 2015 zůstala na přibližně 11%.
Francie je zemí s nejvyšším podílem jaderné energie v roce 2019 (70,6%), následovaná Slovenskem (53,9%), Ukrajinou (53,9%), Maďarskem (49,2%) a Belgií (47,6%). Tato výroba v Číně od poloviny 20. století rychle rostla a v roce 2019 dosáhla 330 TWh , což je 4,9% výroby elektřiny v zemi. Největšími producenty jsou USA (809 TWh ), Francie (382 TWh ), Čína, Rusko (195,5 TWh ) a Jižní Korea (139 TWh ).
The 28. listopadu 2018, Evropská komise zveřejňuje sdělení navrhující dlouhodobou energetickou strategii (2050) zaměřenou na dekarbonizaci spotřeby energie, snížení emisí o 90% do roku 2050 kombinací opatření ke zvýšení energetické účinnosti, zvýšení podílu elektřiny na konečné spotřebě energie (53 % v roce 2050 oproti 20% v roce 2017); zajišťuje zvýšené využívání jaderné energie (15% výroby elektřiny v roce 2050) spolu s obnovitelnými energiemi (80% v roce 2050).
V roce byl uveden do provozu reaktor třetí generace typu AP1000června 2018v jaderné elektrárně Sanmen ( Zhejiang , Čína).
Plavidla s jaderným pohonem používají jeden nebo více jaderných reaktorů. Vyrobené teplo se přenáší do teplonosné kapaliny používané k výrobě vodní páry působící:
Na světě existuje přibližně 400 lodí s jaderným pohonem, převážně vojenských, zejména ponorek , ale také letadlových lodí a křižníků a několik civilních lodí, zejména ledoborců . V 60. a 70. letech minulého století zažili jadernou energii také nákladní automobily (americký NS Savannah , německý Otto Hahn a japonská Mutsu ), ale jejich použití se neukázalo jako ziskové a tyto experimenty byly přerušeny.
Investiční a provozní náklady na jaderný pohon jsou značné, a proto je zřídka atraktivní pro civilní použití. Je to opravdu zajímavé pouze pro vojenské použití, zejména pro ponorky. Tato energie přináší:
Jaderný pohon proto dává ponorkám rozhodující výhodu, a to až do té míry, že můžeme srovnáváním kvalifikovat konvenční ponorky jako jednoduché ponorky.
Vesmírný pohonSondy Voyager I a II již nosily jaderné generátory pro napájení svého elektronického systému. Na druhou stranu, pokud je to možné, stále se uvažuje o jaderném pohonu . Mělo by to výhodu v produkci tahu, který je sice nízký, ale konstantní během celé cesty, zatímco současné kosmické lodě - kromě těch, které používají sluneční energii a iontové motory - mohou kvůli nízkému tlaku vyprodukovat pouze jediný počáteční tah nebo některé úpravy trajektorie. kapacita jejich nádrží. Proto se jim říká balistické a také proto musí od začátku dosáhnout rychlosti uvolnění . Na dlouhých cestách, například meziplanetárně, může být tato kontinuální akcelerace globálně efektivnější než v současné době používaná počáteční akcelerace.
Americká vláda poskytla NASA 125 milionů dolarů na návrh rakety poháněné jaderným reaktorem, který ohřívá kapalinu, obvykle kapalný vodík, na velmi vysokou teplotu; tato kapalina je vypuzována potrubím v zadní části motoru, čímž se vytváří tah umožňující pohon rakety. Tato technologie by mohla výrazně zkrátit dobu jízdy. Americká kosmická agentura doufá, že bude moci použít budoucí jaderný motor ze své měsíční mise v roce 2024, zejména pro cíl Marsu v roce 2033.
Síla jaderné energie se v tomto případě používá jako výbušnina. Rozsah celkové energie vydávané jadernými bombami se pohybuje od jednoho kilotuna do jednoho megatonu ekvivalentu TNT . Energie jaderného výbuchu je distribuována hlavně v nárazovém efektu (rázové vlně), v tepelném efektu, v elektromagnetickém impulsu a v záření.
Druhy zbraníTyto jaderné zbraně jsou dvou typů:
Neutronová bomba je varianta termojaderné bomby navržen tak, aby maximalizoval podíl energie emitované v podobě neutronů; má zničit větší formy života v blízkosti cíle a způsobit minimální poškození majetku.
DějinyPrvní vojenské použití jaderné zbraně („ bomba A “) bylo v roce 1945 , 6 a9. srpna, Shození dvou bomb na japonská města na Hirošimu a Nagasaki ze strany amerického vojska , aby se ukončila ke druhé světové válce . Od té doby byl tento typ zbraní předmětem experimentálních jaderných zkoušek (atmosférických a podzemních) a následného počítačového modelování. Atomová bomba byla zdrojem doktríny o odstrašování nebo rovnováhu teroru , který byl vyvinut v průběhu studené války .
Pracovní doktrínaV doktríně zaměstnání většiny jaderných mocností rozlišujeme:
Francouzská doktrína nikdy neuvažovala o použití jaderných zbraní pro taktické účely. Zbraně relativně nízké síly ( Pluto, pak Hades , nyní stažené, řízené střely ASMP ) jsou definovány jako předstrategické ; v tomto pojetí slouží tyto zbraně pouze náhodně k vojenskému cíli v terénu, jejich hlavním účinkem je „konečné varování“ politické povahy, které varuje nepřátelské vůdce, že od nynějška jsou v sázce zásadní zájmy Francie. , a že další úroveň odplaty bude termojaderná.
Během druhé světové války byla výroba atomových zbraní hlavním raison d'être jaderného průmyslu.
Od 70. let pracuje toto odvětví také na výrobě energie.
Výroba jaderné energie je činnost vyspělou technologií, která vyžaduje přísnou a trvalou kontrolu.
Tuto kontrolu provádějí jak národní bezpečnostní orgány ( francouzský úřad pro jadernou bezpečnost ), tak mezinárodní (jako je IAEA nebo Euratom v Evropě).
Ve srovnání s jinými zdroji energie vyžaduje civilní jaderná energie velmi velké počáteční investice, ale těží z nižších provozních nákladů na vyrobenou kilowatthodinu, což vede k nízké vnitřní míře návratnosti : investice do jaderného sektoru lze pojmout pouze v rámci velmi dlouhodobá politika. Toto vykořisťování pokračuje po období, která dosahují desetiletí. Náklady na jadernou energii silně závisí na období, během kterého se počáteční investice amortizuje , a možné prodloužení jejich provozu představuje velmi důležitý ekonomický zájem. Ziskovost se také velmi liší v závislosti na navrhovaných technických řešeních (typ elektrárny, palivo atd.).
Náklady na jaderné palivo jsou způsobeny zejména obohacováním uranu a výrobou palivových článků, které vyžadují relativně složitou technologii. Podíl uranové rudy na nákladech na energii je ve srovnání s fosilními palivy nízký: sama jaderná energie je zdrojem specializované průmyslové činnosti.
Čína rovněž ve spolupráci se Spojenými státy pracuje na vývoji technologie jaderného reaktoru s roztavenou solí , jejíž náklady by byly pro srovnání nižší než u uhlí.
Indie a Čína jsou země, kde se v roce 2019 nejvíce rozvíjí jaderná energie, ale Spojené státy mají stále největší jadernou flotilu na světě. Pouze jeden jaderný reaktor tam však je v provozu 30 let (Watts Bar 2 v Tennessee , 1 200 MW připojeno k síti v roce 2016), zatímco v letech 2013 až 2019 bylo odstaveno osm bloků (poslední byl Pilgrim 1 v Massachusetts , pozděKvěten 2019); a jsou ohlášeny pouze dva projekty: 3. a 4. blok elektrárny Vogtle v Gruzii, který by měl být vybaven reaktory typu AP100 třetí generace v letech 2021 a 2022. První z těchto nových reaktorů byl spuštěn v lokalitách VC Summer v Gruzii a Vogtle v Jižní Karolíně, každý se dvěma reaktory AP1000 , ale včervence 2017projekt VC Summer byl opuštěn ( jaderná elektrárna Virgil Summer ). Kromě toho tyto dva probíhající projekty utrpěly technické problémy, zpoždění a překročení rozpočtu a rozpočet (27 miliard USD zmíněných v roce 2019), jako například evropské EPR ve Flamanville ve Francii a v Olkiluoto ve Finsku.
„Boom břidlicového plynu “ způsobený technologií hydraulického štěpení zároveň způsobil pokles cen plynu a energie, což vyvolalo šíření plynových elektráren s kombinovaným cyklem . Čtyři jaderné reaktory byly uzavřeny v roce 2013 z důvodu nedostatečné konkurenceschopnosti a pětina na konci roku 2014. Cena plynu by se však ve střednědobém nebo dlouhodobém horizontu měla zvýšit, čímž by se zvýšila konkurenceschopnost jaderných elektráren, zejména pokud by byly dodrženy emisní normy CO 2jsou zavedeny přísnější. Současně také výrazně poklesly náklady na sluneční a větrnou energii. vbřezna 2017, přední výrobce jaderných reaktorů vybavujících více než 50% reaktorů na světě, společnost Westinghouse , byl prohlášen konkurz. Investoři nedávno projevili velký zájem o modulární reaktory s roztavenou solí ( MSR ), které by mohly nahradit uhelné elektrárny kvůli odstavení z důvodu předpisů o znečišťování ovzduší ; ale několik společností vyvíjejících tento koncept omezilo své programy kvůli nedostatku perspektiv krátkodobého nasazení.
V roce 2019 odhaduje Mezinárodní energetická agentura (EIA), že jaderná elektřina ve Spojených státech by mohla v roce 2025 poklesnout o 17% ve srovnání s úrovní roku 2018, což je ztráta, která bude „do značné míry kompenzována (nárůstem výroby) novým zemním plynem , větrné a solární elektrárny “ . vsrpna 2019„Trumpova administrativa vytváří na podporu jaderného průmyslu Národní inovační centrum reaktorů (NRIC), centrum zaměřené na„ nasazení pokročilých reaktorů “v soukromém sektoru otevřením amerických veřejných laboratoří, za účelem validace nových systémů a urychlit vydávání licencí a marketing těchto reaktorů, malých modulárních reaktorů ( malé modulární reaktory , SMR) a dalších mikro-reaktorů. Trumpova administrativa rovněž přijala legislativní opatření, aby zastavila experimenty s novými jadernými řešeními.
Rizika a náklady nejsou hodnoceny stejným způsobem pro-nukleární a anti-nukleární , kteří jsou také rozděleni ohledně užitečnosti civilních a vojenských jaderných aplikací, zejména výroby jaderné energie, a vhodnosti postupného vyřazování civilní jaderné energie z provozu. moc .
Civilní aplikace jaderné energie jsou kontroverzní kvůli:
Zastánci civilních aplikací jaderné energie prosazují další argumenty:
Předseda IPCC , Hoesung Lee , podrobně na konferenci MAAEříjna 2019, závěry zvláštní zprávy SR1.5 zveřejněné v roce 2018. Na základě 21 dostupných modelů IPCC studoval 89 trajektorií, které umožňují zvládnout nárůst globální teploty na 1,5 ° C do roku 2100. Tyto trajektorie ukazují významný úsilí z hlediska energetické účinnosti i zdvojnásobení podílu elektřiny na celkové energii (z 19% v roce 2020 v průměru na 43% v roce 2050). Jaderná energie přispívá k úsilí o dekarbonizaci elektřiny ve velké většině z 89 trajektorií. Pro předsedu IPCC musí jaderná energie čelit dvěma hlavním výzvám: konkurenceschopnosti ve srovnání s jinými nefosilními technologiemi a zrychlení jejího zavádění; uzavírá: „Přeji vám úspěch při řešení těchto výzev, protože klima potřebuje veškerou pomoc, které může získat!“ " . Generální ředitel Mezinárodní agentury pro energii , Fatih Birol řekl: „Musíme se podívat na všech čistých technologií. Sluneční a větrná energie jsou důležité. Ale myslíme si, že jaderná energie a CCS jsou také důležité. Nemůžeme si dopřát luxus, abychom si vybrali preferovanou technologii .
Podle sdělení Francouzského institutu mezinárodních vztahů (IFRI) „zpoždění a dodatečné náklady západních projektů v oblasti civilní jaderné energie upevňují rusko-čínský duopol na vývoz reaktorů třetí a čtvrté generace. V tomto kontextu, malé modulární reaktory ( malé modulární reaktory , SMR) se obnovený zájem a jsou vyvinuty podle mnoha účastníků, převážně z ruských a čínských státních podniků v mnoha severoamerických start-up " . Toto sdělení se domnívá, že éra velkých EPR skončila a malé reaktory s integrovaným a standardizovaným inženýrstvím by mohly být vyráběny modulárně v továrně, což by snížilo náklady a dobu výstavby. Tyto malé reaktory by mohly oslovit rozvíjející se země.