Afhængig forbindelse med brugen udtrykket atomkraft dækker flere betydninger, alle knyttet til fysik og reaktioner af atomkerner .
Den radioaktivitet er et fysisk fænomen naturlig, manifesteret af det faktum, at visse typer af atomkerner , ustabil, kan sprede form af en energi del af deres oprindelige vægt (forarbejdet ifølge den kendte formel E = mc 2 af Albert Einstein ) og spontant udvikle sig mod mere stabile atomkerner ved opløsning .
Et radioaktivt legeme afgiver naturligt denne energi i form af en strøm af ioniserende stråling og varme . Denne varme er særlig intens for det nukleare brændstof i reaktoren; dette er grunden til, at brugt brændstof opbevares i en pool med brugt brændstof nær reaktoren. Det er det samme fænomen, der er oprindelsen til en del af varmen fra Jordens kontinentale skorpe.
En nuklear reaktion er en interaktion, hvor en kerne interagerer med en anden partikel ( elementær partikel , men også atomkerne eller gammastråling ) og gennemgår nuklear omlejring.
Disse reaktioner er så nemmere, da de fører til mere stabile konfigurationer. Energiforskellen (svarende til massefejlen ) udgør derefter den energi, der frigøres ved reaktionen. Denne omdannelse af masse til energi (ifølge den berømte formel E = mc 2 ) bruges i nuklear fission og fusionsreaktioner .
Når en neutron rammer kernen af visse tunge isotoper , er der en sandsynlighed for, at den påvirkede kerne opdeles i to lettere kerner. Denne reaktion, som kaldes nuklear fission , resulterer i en meget signifikant frigivelse af energi (i størrelsesordenen 200 MeV pr. Begivenhed sammenlignet med energierne ved kemiske reaktioner i størrelsesordenen eV ).
Denne fission ledsages af emission af flere neutroner, som under visse betingelser kolliderer med andre kerner og således forårsager en kædereaktion . I en atomreaktor finder denne kædereaktion sted under stabile forhold med en langsom og kontrolleret hastighed. I en bombe, hvor stof pludselig placeres meget langt fra dets stabilitetsområde, multipliceres reaktionen så hurtigt, at den fører til en eksplosiv reaktion.
Vigtigheden af den energi, der udsendes under fission, kommer af det faktum, at bindingsenergien pr. Nukleon i den oprindelige kerne er lavere end den producerede kerner (ca. 7,7 MeV pr. Nukleon for tunge grundstoffer mod 8, 8 for jern). Det meste af energien findes i form af kinetisk energi af neutroner og datterkerner, energi genvundet i form af varme i reaktorer. Ifølge CEA er energien produceret af 1 kg naturligt uran i en atomreaktor lig med energien på 10 tons olieækvivalent (tå). Ifølge nylige observationer af tyngdekraftsbølger kommer denne bindingsenergi fra omdannelsen af tyngdekraften til kinetisk energi, derefter til bindingsenergien under dannelsen af tunge elementer ved r-processen under sammenkoblingen af to stjerner ved neutroner (et fænomen også kaldet kilonova ).
Den fusion er en reaktion, hvor to atomkerner kombineres til dannelse af en tungere kerne; for eksempel forenes en kerne af deuterium og en kerne af tritium for at danne en kerne af helium plus en neutron. Fusionen af lette kerner afgiver en betydelig mængde energi fra den stærke interaktion , meget større end den elektrostatiske frastødning mellem komponenterne i lette kerner. Dette resulterer i en massefejl (se bindingsenergi og E = mc 2 ), hvor den resulterende kerne har en masse mindre end summen af masserne i de oprindelige kerner.
Denne reaktion finder kun sted ved meget høje temperaturer (flere titusinder af millioner grader), hvor materialet er i plasma- tilstand . Disse betingelser er opfyldt inden for stjernerne under eksplosionen af en nuklear fissionsbombe, som således initierer den termonukleare eksplosion ( H-bombe ) eller i eksperimentelle atomreaktorer .
I 2021 tillader ingen installation en nettoproduktion af energi ved at kontrollere nuklear fusionsreaktioner. Der pågår forskning for at opnå et plasma over en tilstrækkelig varighed, så den producerede fusionsenergi er større end den, der investeres i opvarmning af partiklerne. Især det internationale ITER-projekt samler forskere til at udvikle civil anvendelse af denne energi. Samlingen af denne reaktor begyndte denjuli 2020i Saint-Paul-lès-Durance i Frankrig, og dens første tests skulle finde sted i 2025.
Kerneenergi er ca. 1% af massenergien givet af Einsteins formel for masseenergi (her den for en proton):
.Det er den energi, der kræves for at adskille en neutron fra en proton . Det er også bindingsenergien i kernen i hydrogenatomet .
Det er i størrelsesordenen en million gange den for kemisk energi, som er mindre kendt og givet af Rydberg-konstanten afledt af Bohrs teori om hydrogenatomet:
.Atomenergi tilskrives generelt en hypotetisk interaktion, den stærke kraft . En teori, der er udviklet om samhørighedskraften af isotoper af brint, indikerer, at den kan udtrykkes med en formel, der svarer til de foregående og har en mellemliggende værdi:
Størrelsesordenen af denne neutron-proton separation energi er tæt på bindingsenergien af 2 H deuterium , 2,2 MeV , eller 1,1 MeV per nukleon. Det er halvdelen af partiklen, som også er helium 4, 4 He. Kerne af jern Fe og nikkel Ni er de kemiske grundstoffer, der har den største nukleare bindingsenergi, lidt mindre end 9 MeV .
Når vi kender formlerne for nukleare og kemiske energier, udleder vi størrelsesordenen for deres forhold:
Anvendelsen af kerneenergi vedrører hovedsageligt to områder:
En anden anvendelse er produktion af radioaktive isotoper , der anvendes i industrien ( svejse radiografi , for eksempel) og i medicin ( nuklearmedicin og stråleterapi ). Andre anvendelser er blevet forestillet, og endda eksperimenteret med, såsom produktion af varme til at levere et varmenetværk , afsaltning af havvand eller produktion af brint .
Disse applikationer bruger atomreaktorer (også kaldet atomceller , når det kommer til lav effekt, eksperimentel brug og produktion af radioisotoper). De nukleare fission reaktioner initieres, moderat og kontrolleret i kernen, dvs. samlingen af brændstof og styrestænger krydses af en kølevæske , der udvinder varme fra det. Denne varme omdannes derefter til elektrisk energi gennem turbiner (dampgeneratorer).
Nukleart centerDe 441 reaktorer, der er i drift kl 4. juli 2020samlet installeret kapacitet på 390.220 MW , hvoraf 97.154 MW (24,9%) i USA, 62.250 MW (16%) i Frankrig, 45.518 MW (11,7%) i Kina, 31.679 MW (8,1%) i Japan (33 reaktorer på som kun 9 har fået tilladelse til at genstarte), 28.437 MW (7,3%) i Rusland og 23.172 MW (5,9%) i Sydkorea.
De 54 reaktorer, der er under opførelse i 19 lande, har en samlet kapacitet på 57.441 MW , hvoraf 10.564 MW (18,4%) i Kina, 5.380 MW (9,4%) i De Forenede Arabiske Emirater, 4.824 MW (8,4 %) %) i Indien, 4.525 MW (7,9%) i Rusland og 3.260 MW (5,7%) i Det Forenede Kongerige.
Elektricitetsproduktionen fra atomkraftværker toppede på 2.661 TWh i 2006; efter at være faldet til 2.346 TWh i 2012 efter Fukushima-atomulykken steg den gradvist til 2.586 TWh i 2019.
Andelen af atomkraft i verdens elproduktion var 10,3% i 2017 mod 3,3% i 1973. De vigtigste nukleare elproducerende lande er USA (31,8% af verdens samlede), Frankrig (15,1%), Kina (9,4%) , Rusland (7,7%) og Sydkorea (5,6%).
Efter Fukushima-atomulykken faldt kernekraftproduktionen fra 2.518 TWh i 2011 eller 13,5% af den globale elproduktion til 10,8% i 2012 og forblev derefter på omkring 11% indtil 2015.
Frankrig er det land med den højeste andel atomkraft i 2019 (70,6%) efterfulgt af Slovakiet (53,9%), Ukraine (53,9%), Ungarn (49,2%) og Belgien (47,6%). Denne produktion i Kina er vokset hurtigt siden midten af 2000'erne og nåede op på 330 TWh i 2019 eller 4,9% af landets elproduktion. De største producenter er USA (809 TWh ), Frankrig (382 TWh ), Kina, Rusland (195,5 TWh ) og Sydkorea (139 TWh ).
Det 28. november 2018, offentliggør Europa-Kommissionen en meddelelse, hvori den foreslår en langsigtet energistrategi (2050) med fokus på decarboniserende energiforbrug, reduktion af emissioner med 90% inden 2050 ved at kombinere foranstaltninger til at forbedre effektivitetsenergi, øge andelen af elektricitet i det endelige energiforbrug % i 2050 mod 20% i 2017) det giver øget anvendelse af atomkraft (15% af elproduktionen i 2050) sammen med vedvarende energi (80% i 2050).
Den tredje generation af AP1000 - reaktoren blev bestilt ijuni 2018, i Sanmen atomkraftværk ( Zhejiang , Kina).
Atomdrevne skibe bruger en eller flere atomreaktorer. Den producerede varme overføres til en varmeoverføringsvæske, der bruges til at generere vanddamp, der aktiverer:
Cirka 400 atomdrevne skibe findes i verden, overvældende militære, hovedsageligt ubåde , men også hangarskibe og krydsere og et par civile skibe, hovedsageligt isbrydere . Af gods Nuclear blev også oplevet i 1960'erne og 1970'erne (amerikansk NS Savannah , den tyske Otto Hahn og japanske Mutsu ), men deres anvendelse har ikke vist sig rentabel, og disse eksperimenter er blevet afbrudt.
Investerings- og driftsomkostningerne ved nuklear fremdrift er betydelige, hvilket gør det sjældent attraktivt til civil brug. Det er kun rigtig interessant til militær brug og især til ubåde. Denne energi bringer:
Atomfremdrift giver derfor ubåde en afgørende fordel, til det punkt, at vi ved sammenligning kan kvalificere konventionelle ubåde som enkle ubåde.
RumfremdriftVoyager I- og II- sonder har allerede transporteret atomgeneratorer til at drive deres elektroniske system. På den anden side er atomfremdrivning , hvis det er muligt, stadig under overvejelse. Det ville have fordelen ved at producere et tryk, ganske vist lavt, men konstant under hele rejsen, hvorimod det nuværende rumfartøj - undtagen dem, der bruger solenergi og ioniske motorer - kun kan producere en enkelt startkraft eller nogle justeringer af banen, på grund af den lave kapacitet på deres tanke. Derfor kaldes de ballistiske , og det er også derfor, de skal nå frigørelseshastigheden fra starten. På lange rejser, f.eks. Interplanetarisk, kan denne kontinuerlige acceleration være globalt mere effektiv end den nuværende acceleration, der aktuelt anvendes.
Den amerikanske regering har givet NASA 125 millioner dollars til at designe en raket drevet af en atomreaktor, der opvarmes en væske, normalt flydende brint, til en meget høj temperatur; denne væske skubbes ud via en kanal bag på motoren, hvilket skaber et tryk, der gør det muligt at drive raketten. Denne teknologi kan reducere rejsetiderne betydeligt. Den amerikanske rumorganisation håber at være i stand til at bruge den fremtidige nukleare motor fra sin månemission i 2024 og især til Mars-målet i 2033.
Kerneenergiens magt bruges i dette tilfælde som et eksplosivt stof. Omfanget af den samlede energi, der afgives af atombomber, spænder fra en kiloton til en megaton TNT- ækvivalent . Energien ved en nuklear eksplosion fordeles hovedsageligt i eksplosionseffekten (stødbølgen), den termiske effekt, den elektromagnetiske impulseffekt og strålingen.
Typer af våbenDe atomvåben er af to typer:
Den neutronbomben er en variant af en termonuklear bombe designet til at maksimere andelen af den energi, der udsendes i form af neutroner; det formodes at ødelægge de større livsformer i nærheden af målet, samtidig med at det forårsager minimal skade på ejendom.
HistorieDen første militære anvendelse af et atomvåben (" bombe A ") var i 1945 , 6 og9. august, Opgivelsen af to bomber på de japanske byer i Hiroshima og Nagasaki ved amerikanske hær , med henblik på at sætte en stopper for den Anden Verdenskrig . Siden da har denne type våben kun været genstand for eksperimentelle nukleare test (atmosfærisk derefter under jorden) og derefter computermodellering. Atombomben var kilden til doktrinen om afskrækkelse eller terrorbalance, der blev udviklet under den kolde krig .
JoblæreI læren om beskæftigelse for de fleste atomkraft skelner vi mellem:
Fransk doktrin har aldrig overvejet brugen af atomvåben til taktiske formål. Våben med relativt lav effekt ( Pluto og derefter Hades- missiler , nu trukket tilbage, ASMP- krydsermissiler ) defineres som præstrategisk ; i denne opfattelse tjener disse våben kun tilfældigvis til et militært mål på jorden, hvor deres vigtigste virkning er en "endelig advarsel" af politisk karakter for at advare fjendens ledere om, at Frankrigs vitale interesser fremover står på spil. , og at det næste niveau af gengældelse vil være termo-nuklear.
Under Anden Verdenskrig var produktionen af atomvåben den vigtigste eksistensberettigelse for atomindustrien.
Siden 1970'erne har denne industri også arbejdet for energiproduktion.
Produktionen af atomenergi er en højteknologisk aktivitet, der kræver streng og permanent kontrol.
Denne kontrol udføres både af nationale sikkerhedsmyndigheder ( fransk nuklear sikkerhedsmyndighed ) og international (såsom IAEA eller Euratom i Europa).
Sammenlignet med andre energikilder kræver civil nuklear energi meget store indledende investeringer, men drager fordel af en lavere driftsomkostning pr. Produceret kilowatt time, hvilket fører til en lav intern afkastrate : Investeringen i nuklear sektor kan kun opfattes inden for rammerne af en meget langsigtet politik. Denne udnyttelse fortsætter i perioder, der udgør årtier. Omkostningerne ved atomenergi afhænger i høj grad af, i hvilken periode den oprindelige investering afskrives , og den mulige forlængelse af deres drift udgør en meget vigtig økonomisk indsats. Rentabiliteten varierer også meget afhængigt af de foreslåede tekniske løsninger (type kraftværk, brændstof osv.).
Omkostningerne ved nukleart brændstof skyldes primært uranberigelse og fremstilling af brændselselementer, som kræver relativt kompleks teknologi. Andelen af uranmalm i energiomkostningerne er lav sammenlignet med fossile brændstoffer: Kerneenergi er i sig selv kilden til specialiseret industriel aktivitet.
Kina arbejder også i samarbejde med De Forenede Stater på udviklingen af en smeltet salt-atomreaktorteknologi , hvis omkostninger ved sammenligning vil være lavere end kulens.
Indien og Kina er de lande, hvor atomkraft udvikler sig mest i 2019, men USA har stadig den største atomflåde i verden. Imidlertid har kun en atomreaktor været i drift der i 30 år (Watts Bar 2, i Tennessee , 1.200 MW forbundet til nettet i 2016), mens otte enheder blev lukket ned fra 2013 til 2019 (den sidste var Pilgrim 1 i Massachusetts , sentMaj 2019); og kun to projekter annonceres: enheder 3 og 4 i Vogtle-anlægget i Georgien, som skal udstyres med tredje generation af AP100 - reaktorer i 2021 og 2022. Den første af disse nye reaktorer er blevet lanceret på lokaliteterne VC Summer i Georgien og Vogtle i South Carolina, hver med to AP1000 reaktorer , men ijuli 2017VC Summer-projektet blev opgivet ( Virgil Summer atomkraftværk ). Derudover har disse to igangværende projekter lidt tekniske problemer, forsinkelser og overskridelser og budget ($ 27 mia. Nævnt i 2019) som den europæiske EPR i Flamanville i Frankrig og i Olkiluoto i Finland.
Samtidig har " skifergasbom " forårsaget af hydraulisk fraktureringsteknologi forårsaget, at gas- og energipriserne er faldet, hvilket ansporer til en spredning af gaskraftværker i kombineret cyklus . Fire atomreaktorer lukkede i 2013 på grund af manglende konkurrenceevne og en femte ved udgangen af 2014. Gasprisen skulle dog stige på mellemlang eller lang sigt, hvilket ville gøre atomkraft mere konkurrencedygtig, især hvis CO 2 -emissionsstandardermere alvorlige indføres. På samme tid er omkostningerne ved sol- og vindenergi også faldet meget. Imarts 2017, den førende producent af atomreaktorer, der udstyrer mere end 50% af verdens reaktorer, Westinghouse , er blevet erklæret konkurs. Investorer har for nylig vist stor interesse for modulære smeltede saltreaktorer ( MSR'er ), som kan erstatte kulfyrede kraftværker på grund af nedlukning på grund af luftforureningsregler ; men flere virksomheder, der udvikler dette koncept, har reduceret deres programmer på grund af manglende kortsigtede udsendelsesmuligheder.
I 2019 vurderer Det Internationale Energiagentur (EIA), at nuklear elektricitet i USA kan falde med 17% i 2025 sammenlignet med niveauet for 2018, et tab, som "stort set udlignes af (stigningen i produktionen) ny naturgas , vind- og solkraftværker ” . Iaugust 2019, Trump administration opretter, til støtte for atomindustrien, National Reactor Innovation Center (NRIC), et center dedikeret til "implementering af avancerede reaktorer" i den private sektor ved at åbne amerikanske offentlige laboratorier for at validere nye systemer og fremskynde licensering og markedsføring af disse reaktorer, de små modulære reaktorer ( små modulære reaktorer , SMR) og andre mikroreaktorer. Trump-administrationen har også truffet lovgivningsmæssige foranstaltninger for at løfte bremserne ved eksperimentering med nye nukleare løsninger.
Risiciene og omkostningerne vurderes ikke på samme måde af den pro-nukleare og den anti-nukleare , som også er delt over nytten af civile og militære nukleare applikationer, især atomkraftproduktion. Og det tilrådelige at udfase civile nukleare. magt .
Civile anvendelser af atomenergi er kontroversielle på grund af:
Tilhængere af civile anvendelser af atomkraft fremmer andre argumenter:
Formanden for IPCC , Hoesung Lee , detaljeret ved IAEA-konferencenoktober 2019, konklusionerne i SR1.5-specialrapporten, der blev offentliggjort i 2018. På baggrund af de 21 tilgængelige modeller undersøgte IPCC 89 baner, der gjorde det muligt at begrænse stigningen i den globale temperatur til 1,5 ° C inden 2100. Disse baner viser en betydelig indsats med hensyn til energieffektivitet samt en fordobling af andelen af elektricitet i den samlede energi (fra 19% i 2020 i medianværdi til 43% i 2050). Atomkraft bidrager til bestræbelserne på at dekarbonisere elektricitet i langt størstedelen af de 89 baner. For formanden for IPCC skal atomkraft imødekomme to hovedudfordringer: konkurrenceevne sammenlignet med andre ikke-fossile teknologier og fremskyndelse af dens hastighed slutter han: "Jeg ønsker dig succes med at imødegå disse udfordringer, fordi klimaet har brug for al den hjælp, det kan få!" " . Generaldirektøren for Det Internationale Energiagentur , Fatih Birol sagde: ”Vi er nødt til at se på alle rene teknologier. Sol og vind er vigtige. Men vi mener, at nuklear og CCS også er vigtig. Vi kan ikke have den luksus at vælge vores foretrukne teknologi ” .
Ifølge en note fra det franske institut for internationale forbindelser (IFRI) “forsinker forsinkelserne og ekstraomkostningerne ved vestlige projekter inden for civil atomkraft et russisk-kinesisk duopol på eksport af tredje og fjerde generation reaktorer. I denne sammenhæng har små modulære reaktorer ( små modulære reaktorer , SMR'er) fornyet interessen og er udviklet af mange aktører, hovedsageligt fra russiske og kinesiske statsejede virksomheder i en lang række nordamerikanske opstart " . Dette notat mener, at æraen med store EPR'er er forbi, og at små reaktorer med integreret og standardiseret teknik kunne produceres på en modulær måde på fabrikken, hvilket reducerer omkostninger og byggetid. Disse små reaktorer kunne appellere til nye lande.