A felhasználás összefüggéseitől függően az atomenergia kifejezés több jelentést is magában foglal, amelyek az atommagok fizikájához és reakcióihoz kapcsolódnak .
A radioaktivitást egy fizikai jelenség természetes, nyilvánul az a tény, hogy bizonyos típusú atommagok , instabil, elvezetésére formájában energia részét a kezdeti tömeget (feldolgozott szerint ismert képlet E = mc 2 az Albert Einstein ) és spontán széteséssel stabilabb atommagok felé fejlődnek .
A radioaktív test ezt az energiát természetesen ionizáló sugárzás és hő áramlásaként adja le . Ez a hő különösen intenzív a reaktorban található nukleáris üzemanyag számára; ez az oka annak, hogy a kiégett fűtőelemeket a reaktor közelében lévő kiégett fűtőelemek medencéjében tárolják . Ugyanaz a jelenség, amely a Föld kontinentális kérgének hőjének egy részében keletkezik.
A nukleáris reakció olyan kölcsönhatás, amelynek során a mag kölcsönhatásba lép egy másik részecskével ( elemi részecske , de az atommag vagy a gammasugárzás is ), és átmegy rajta.
Ezek a reakciók annál könnyebbek, mivel stabilabb konfigurációkhoz vezetnek. Az energiakülönbség (amely megfelel a tömeghibának ) ekkor képezi a reakció által felszabadított energiát. A tömeg energiává történő átalakítását (a híres E = mc 2 képlet szerint ) a maghasadás és a fúziós reakciók során alkalmazzák .
Amikor egy neutron bizonyos nehéz izotópok magjába ütközik , akkor valószínű, hogy az érintett mag két könnyebb magra oszlik. Ez a maghasadásnak nevezett reakció nagyon jelentős energia felszabadulást eredményez ( eseményenként 200 MeV nagyságrendű, a kémiai reakciók energiáihoz képest , eV nagyságrendű ).
Ez a hasadás több neutron emissziójával jár együtt, amelyek bizonyos körülmények között ütköznek más magokkal, és ezáltal láncreakciót okoznak . Egy atomreaktorban ez a láncreakció stabil körülmények között, lassú és szabályozott sebességgel megy végbe. Egy bombában, ahol az anyag hirtelen nagyon távol esik a stabilitási tartományától, a reakció olyan gyorsan szaporodik, hogy robbanásszerű reakcióhoz vezet.
A hasadás során kibocsátott energia jelentősége abból a tényből fakad, hogy a kezdeti mag egy nukleonjára jutó kötési energia alacsonyabb, mint a megtermelt magoké (nehéz elemek esetén körülbelül 7,7 MeV nukleononként, míg a vas esetében 8, 8 között). Az energia nagy része neutronok és leánymagjainak kinetikus energiája formájában található meg, az energia hő formájában nyerhető vissza a reaktorokban. A CEA szerint az atomreaktorban 1 kg természetes urán által előállított energia megegyezik 10 tonna olajegyenérték (lábujj) energiájával . A gravitációs hullámok közelmúltbeli megfigyelései szerint ez a kötési energia a gravitációs energia kinetikus energiává történő átalakulásából származik, majd kötőenergiává a nehéz elemek keletkezése során az r folyamat során két csillag neutronokon való koaleszcenciája során (ezt a jelenséget kilonovának is nevezik) . ).
A fúzió olyan reakció, amelyben két atommag egyesülve egy nehezebb magot alkot; például a deutérium és a trícium magja egyesülve hélium és egy neutron magot alkot . A könnyű magok fúziója jelentős mennyiségű energiát szabadít fel az erős kölcsönhatásból , sokkal nagyobb, mint a könnyű magok alkotóelemei közötti elektrosztatikus taszítás . Ennek eredményeként tömegdefektus keletkezik (lásd a kötési energiát és E = mc 2 ), a kapott mag tömege kisebb, mint az eredeti magok tömegének összege.
Ez a reakció csak nagyon magas hőmérsékleten (több tízmillió fok) megy végbe, ahol az anyag plazma állapotban van . Ezek a feltételek a csillagokon belül teljesülnek, egy maghasadási bomba robbanása során, amely így elindítja a termonukleáris robbanást ( H bomba ), vagy kísérleti atomreaktorokban .
2021-ben egyetlen létesítmény sem teszi lehetővé a nettó energiatermelést a magfúziós reakciók ellenőrzésével. Kutatások folynak egy megfelelő időtartamú plazma előállítására, hogy a fúziós energia nagyobb legyen, mint a részecskék melegítésére fordított energia. Különösen a nemzetközi ITER projekt hívja össze a kutatókat, hogy fejlesszék az energia polgári felhasználását. Ennek a reaktornak az összeszerelése elkezdődött2020 júliusa franciaországi Saint-Paul-lès-Durance- ban és első tesztjeire 2025-ben kerül sor.
A nukleáris energia az Einstein tömegenergiára vonatkozó képlete által adott tömegenergia körülbelül 1% -a (itt egy protoné):
.A neutron és a proton elválasztásához szükséges energia . Ugyancsak a kötési energiája a mag a hidrogénatom .
Milliószorosára esik a kémiai energiának, amely kevésbé ismert, és amelyet a Bydr hidrogénatom elméletéből származó Rydberg-állandó ad meg :
.Az atomenergiát általában egy hipotetikus kölcsönhatásnak, az erős erőnek tulajdonítják . A hidrogén izotópjainak magjainak kohéziós erejéről kifejlesztett elmélet azt jelzi, hogy az előzőekhez hasonló és köztes értékű képlettel fejezhető ki:
Ennek a neutron-proton elválasztási energiának a nagyságrendje közel áll a 2 H deutérium , 2,2 MeV vagy 1,1 MeV kötési energiájához nukleononként. A fele annak a részecskének, amely szintén a hélium 4, 4 He. A vas-vas és a nikkel Ni magjai azok a kémiai elemek, amelyek a legnagyobb magkötési energiával rendelkeznek, valamivel kevesebb, mint 9 MeV .
A nukleáris és kémiai energiák képleteinek ismeretében következtethetünk ezek arányának nagyságrendjére:
Az atomenergia alkalmazásai elsősorban két területet érintenek:
Egy másik alkalmazás az iparban ( például hegesztési radiográfia ) és az orvostudományban ( nukleáris orvostudomány és sugárterápia ) használt radioaktív izotópok gyártása . Más felhasználási lehetőségeket képzeltek el, sőt kísérleteztek velük, például hőtermeléssel a fűtési hálózat ellátására , tengervíz sótalanításához vagy hidrogéntermelésre .
Ezek az alkalmazások nukleáris reaktorokat (más néven atomersejteket használnak) , amikor kis teljesítményről, kísérleti felhasználásról és radioizotópok előállításáról van szó. A maghasadásos reakciók megkezdődnek, mérsékeltek és szabályozottak a magban, vagyis az üzemanyag és a vezérlő rudak összeszerelése egy hűtőfolyadékkal, amely hőt von le belőle. Ezt a hőt aztán turbinák (gőzfejlesztők ) révén elektromos energiává (vagy a haditengerészeti meghajtás motorjává) alakítják .
Nukleáris központA 441 üzemelő reaktor 2020. július 4teljes beépített kapacitás 390 220 MW , amelyből 97 154 MW (24,9%) az Egyesült Államokban, 62 250 MW (16%) Franciaországban, 45 518 MW (11,7%) Kínában, 31 679 MW (8,1%) Japánban (33 reaktor) amelyek újraindítását csak 9-en engedélyezték ), Oroszországban 28 437 MW (7,3%) és Dél-Koreában 23 172 MW (5,9%).
A 54 reaktor építés alatt 19 országban van teljes kapacitása 57441 MW , amelyből 10.564 MW (18,4%) Kínában, 5380 MW (9,4%), az Egyesült Arab Emírségek, 4824 MW (8,4 %) %) Indiában, 4525 MW (7,9%) Oroszországban és 3260 MW (5,7%) az Egyesült Királyságban.
Az atomerőművek villamosenergia-termelése 2006-ban 2661 TWh- t ért el ; miután a fukusimai nukleáris balesetet követően 2012-ben 2346 TWh-ra esett, 2019-ben fokozatosan 2586 TWh- ra emelkedett .
Az atomenergia részesedése a világ villamosenergia-termelésében 2017-ben 10,3% volt, szemben az 1973-as 3,3% -kal. A fő nukleáris áramtermelő országok az Egyesült Államok (a világ összes részének 31,8% -a), Franciaország (15,1%), Kína (9,4%) , Oroszország (7,7%) és Dél-Korea (5,6%).
A fukusimai nukleáris balesetet követően az atomenergia- termelés a 2011. évi 2518 TWh -ról, vagyis a globális villamosenergia-termelés 13,5% -áról 2012-ben 10,8% -ra esett vissza , majd 2015-ig 11% körül maradt.
Franciaország az ország, ahol a legmagasabb az atomenergia részesedése 2019-ben (70,6%), ezt követi Szlovákia (53,9%), Ukrajna (53,9%), Magyarország (49,2%) és Belgium (47,6%). Ez a termelés Kínában a 2000-es évek közepe óta gyorsan növekedett , 2019 -ben elérte a 330 TWh- t, vagyis az ország villamosenergia-termelésének 4,9% -át. A legnagyobb termelők az Egyesült Államok (809 TWh ), Franciaország (382 TWh ), Kína, Oroszország (195,5 TWh ) és Dél-Korea (139 TWh ).
A 2018. november 28, az Európai Bizottság közleményt tesz közzé, amely hosszú távú energiastratégiát (2050) javasol, amelynek középpontjában az energiafogyasztás dekarbonizálása , a kibocsátás 2050-re 90% -kal történő csökkentése áll, kombinálva az energiahatékonyságot javító intézkedéseket, a villamos energia részarányának növelését a végső energiafogyasztásban (53). % 2050-ben, szemben a 2017-es 20% -kal); a megújuló energiák mellett (2050-ben 80%) az atomenergia fokozott felhasználását (2050-ben a villamosenergia-termelés 15% -a) biztosítja.
A harmadik generációs AP1000 típusú reaktort 2005 - ben állították üzembe2018. június, a sanmeni atomerőműben ( Zhejiang , Kína).
A nukleáris hajtású hajók egy vagy több atomreaktort használnak. Az előállított hőt egy hőátadó folyadékba továbbítják, amelyet vízgőz előállítására használnak, működtetve:
Körülbelül 400 nukleáris hajtású hajó létezik a világon, túlnyomórészt katonai, főként tengeralattjárók , de repülőgép-hordozók és cirkálók , valamint néhány polgári hajó, főként jégtörők . A rakományból a Nuclear is tapasztalható volt az 1960-as és 1970-es években (amerikai NS Savannah , a német Otto Hahn és a japán Mutsu ), de használatuk nem bizonyult jövedelmezőnek, és ezeket a kísérleteket abbahagyták.
A nukleáris meghajtás beruházási és üzemeltetési költségei jelentősek, ami ritkán teszi vonzóvá polgári felhasználásra. Csak katonai felhasználásra érdekes, különösen a tengeralattjárók számára. Ez az energia:
A nukleáris meghajtás tehát meghatározó előnyt nyújt a tengeralattjáróknak, annyiban, hogy összehasonlításképpen a hagyományos tengeralattjárókat egyszerű tengeralattjáróknak minősíthetjük.
TérhajtásA Voyager I és II szondák már nukleáris generátorokat szállítottak elektronikus rendszerük áramellátására. Másrészt a nukleáris meghajtást , ha lehetséges, még mindig fontolgatják. Ennek az az előnye, hogy az egész utazás során valóban alacsony, de állandó nyomóerőt produkál, míg a jelenlegi űrhajók - a napenergiát és ionmotorokat használók kivételével - csak egy kezdeti tolóerőt vagy néhány pálya-beállítást képesek előállítani az alacsony űrtartalom miatt. tartályaik kapacitása. Ezért hívják őket ballisztikusnak , és ezért is el kell érniük a kioldás sebességét a kezdetektől fogva. Hosszú utakon, például bolygóközi, ez a folyamatos gyorsulás globálisan hatékonyabb lehet, mint a jelenleg használt kezdeti gyorsítás.
Az amerikai kormány 125 millió dollárt adott a NASA-nak egy nukleáris reaktorral hajtott rakéta tervezésére, amely folyadékot, általában folyékony hidrogént nagyon magas hőmérsékletre hevít; ezt a folyadékot a motor hátsó részén lévő csatornán keresztül dobják ki, ezáltal olyan lendületet hoznak létre, amely lehetővé teszi a rakéta meghajtását. Ez a technológia jelentősen csökkentheti a menetidőt. Az amerikai űrügynökség reméli, hogy a jövőbeni atommotort felhasználhatja 2024-es holdmissziójából, és különösen a 2033-as Mars-cél érdekében.
Az atomenergia erejét ebben az esetben robbanóanyagként használják. Az atombombák által leadott teljes energia skálája egy kilotonnától egy megaton TNT- ekvivalensig terjed . A nukleáris robbanás energiája főleg a robbanáshatásban (lökéshullám), a hőhatásban, az elektromágneses impulzushatásban és a sugárzásban oszlik meg.
FegyvertípusokA nukleáris fegyverek kétféle típusúak:
A neutronbomba a termonukleáris bomba egyik változata, amelynek célja a neutronok formájában kibocsátott energia részarányának maximalizálása; állítólag elpusztítja a célpont közelében lévő nagyobb életformákat, miközben minimális anyagi kárt okoz.
TörténelemA nukleáris fegyver ("A bomba ") első katonai felhasználása 1945- ben volt , a 6-os és aAugusztus 9A csepegtető két bombát a japán városok a Hirosima és Nagaszaki az amerikai hadsereg , annak érdekében, hogy véget vessen a második világháború . Azóta ez a fajta fegyverzet csak kísérleti nukleáris tesztek (légköri, majd föld alatti), majd számítógépes modellezés tárgya . Az atombomba jelentette az elrettentés vagy a terror egyensúlyának doktrínáját , amelyet a hidegháború alatt alakítottak ki .
Job doktrínaA legtöbb nukleáris hatalom alkalmazásának doktrínájában megkülönböztetünk:
A francia doktrína soha nem gondolta az atomfegyverek taktikai célokra való felhasználását. A viszonylag kis teljesítményű fegyvereket (a Plútó akkor Hades rakétákat , most visszavonták, az ASMP cirkálórakéták ) stratégia előttiként definiálják ; ebben a felfogásban ezek a fegyverek csak mellékesen szolgálják a helyszínen lévő katonai célt, amelynek legfőbb hatása egy "végső figyelmeztetés", politikai jellegű, az ellenség vezetőinek figyelmeztetése, hogy Franciaország létfontosságú érdekei forognak kockán. , és hogy a megtorlás következő szintje a hő-atom lesz.
A második világháború alatt az atomfegyverek gyártása volt a nukleáris ipar legfőbb létjogosultsága.
Az 1970-es évek óta ez az ipar energiatermeléssel is foglalkozik.
Az atomenergia előállítása csúcstechnológiás tevékenység, amely szigorú és állandó ellenőrzést igényel.
Ezt az ellenőrzést mind a nemzeti biztonsági hatóságok ( francia nukleáris biztonsági hatóság ), mind a nemzetközi (például a NAÜ vagy az európai Euratom ) végzik .
Más energiaforrásokhoz képest a polgári nukleáris energia nagyon nagy kezdeti beruházásokat igényel, azonban alacsonyabb megtermelt kilowattóránkénti működési költségekkel jár, ami alacsony belső megtérülési rátát eredményez : a nukleáris szektor beruházása csak a nagyon hosszú távú politika. Ez a kizsákmányolás évtizedekig tart. Az atomenergia költségei nagymértékben függenek attól az időtartamtól, amely alatt a kezdeti beruházást amortizálják , és működésük lehetséges meghosszabbítása nagyon fontos gazdasági tétet jelent. A jövedelmezőség a javasolt műszaki megoldásoktól (erőmű típusa, üzemanyag stb.) Függően is nagymértékben változik.
A nukleáris üzemanyag költsége elsősorban az urándúsításnak és az üzemanyag elemek gyártásának köszönhető, amelyek viszonylag összetett technológiát igényelnek. Az uránérc részaránya az energiaköltségekben alacsony, mint a fosszilis tüzelőanyagoké: az atomenergia maga a speciális ipari tevékenység forrása.
Kína az Egyesült Államokkal partnerségben azon dolgozik egy olvadt sós atomreaktor- technológia fejlesztésén is , amelynek költségei összehasonlításképpen alacsonyabbak lennének, mint a széné.
India és Kína azok az országok, ahol a nukleáris energia fejlődik a legjobban 2019-ben, de az Egyesült Államok továbbra is a legnagyobb nukleáris flottával rendelkezik a világon. Ugyanakkor 30 évig csak egy atomreaktor volt ott üzemel (Watts Bar 2, Tennessee-ben , 1200 MW csatlakozott a hálózathoz 2016-ban), míg 2013 és 2019 között nyolc egységet állítottak le (utoljára a Pilgrim 1-et, Massachusetts-ben). , későn2019 május); és csak két projektet hirdetnek meg: a grúziai Vogtle gyár 3. és 4. blokkját, amelyeket 2021-ben és 2022- ben harmadik generációs AP100 típusú reaktorokkal kell felszerelni. Az első ilyen új reaktorokat a grúziai VC Summer telephelyén indították el. Vogtle dél-karolinai, mindegyik két AP1000 reaktorral , de2017. júliusa VC Summer projektet felhagyták ( Virgil Summer atomerőmű ). Ezenkívül ez a két folyamatban lévő projekt technikai problémákat, késéseket és túllépéseket, valamint a költségvetést (2019-ben említett 27 milliárd dollár) szenvedett, mint például a francia Flamanville-ben és a finn Olkiluoto-ban az európai EPR- t.
Ugyanakkor a „ palagáz- fellendülés ” a hidraulikus repesztéstechnika következtében a gáz és az energia árának csökkenését okozta, ami a kombinált ciklusú gázerőművek terjedését ösztönözte . Négy atomreaktor zárult 2013-ban versenyképesség hiánya miatt, ötödik pedig 2014 végén. A gáz árának azonban közép- vagy hosszú távon meg kell nőnie, versenyképesebbé téve az atomot, különösen, ha a CO 2 -kibocsátási normáksúlyosabbak kerülnek bevezetésre. Ugyanakkor a nap- és szélenergia költségei is sokat estek. Ban ben2017. március, a világ legnagyobb reaktorainak több mint 50% -át felszerelő atomreaktor-gyártót, a Westinghouse-t , csődöt jelentették. A befektetők a közelmúltban nagy érdeklődést mutattak a moduláris olvadt sóreaktorok ( MSR ) iránt, amelyek helyettesíthetik a széntüzelésű erőműveket a légszennyezésre vonatkozó előírások miatt történő leállítás miatt ; de számos, ezt a koncepciót fejlesztő vállalat rövid távú telepítési kilátások hiányában csökkentette programjait.
2019-ben a Nemzetközi Energiaügynökség (EIA) becslései szerint az Egyesült Államokban a nukleáris villamos energia 2025-ben 17% -kal eshet vissza 2018-as szinthez képest, ezt a veszteséget "nagyrészt ellensúlyozza az új termelés (a termelés növekedése)" , szél- és naperőművek ” . Ban ben2019 augusztus, a Trump-adminisztráció a nukleáris ipar támogatására létrehozza a Nemzeti Reaktor Innovációs Központot (NRIC), egy központot, amelynek feladata a „fejlett reaktorok telepítése” a magánszektorban az amerikai állami laboratóriumok megnyitásával, az új rendszerek validálására és felgyorsítja ezen reaktorok, a kis moduláris reaktorok ( kis moduláris reaktorok , SMR) és más mikroreaktorok engedélyezését és forgalmazását . A Trump-adminisztráció törvényhozási intézkedéseket is tett az új nukleáris megoldásokkal való kísérletezés fékjeinek feloldása érdekében.
A kockázatokat és a költségeket nem egyformán értékelik a nukleáris és atomellenesek , akik szintén meg vannak osztva a polgári és katonai nukleáris alkalmazások, különösen az atomenergia-termelés hasznosságán , valamint a polgári nukleáris atomenergia fokozatos megszüntetésének tanácsosságán . hatalom .
Az atomenergia polgári alkalmazása ellentmondásos a következők miatt:
Az atomenergia polgári alkalmazásának hívei további érveket terjesztenek elő:
Az IPCC elnöke , Hoesung Lee , a NAÜ konferenciáján részletesen2019. október, az SR1.5 2018-ban közzétett különjelentésének következtetései . A rendelkezésre álló 21 modell alapján az IPCC 89 pályát vizsgált meg, amelyek lehetővé tették a globális hőmérséklet 2100-ig 1,5 ° C-ra történő emelkedését. Ezek a pályák jelentős erőfeszítések az energiahatékonyság szempontjából, valamint a villamos energia részarányának megduplázása az összes energiában (a 2020-as 19% -ról mediánértékben 2050-re 43% -ra). Az atomenergia a 89 pálya túlnyomó többségében hozzájárul a villamos energia szén-dioxid-mentesítéséhez . Az IPCC elnöke számára az atomenergiának két fő kihívásnak kell megfelelnie: a versenyképesség más nem fosszilis technológiákhoz képest, és fel kell gyorsítania a telepítés ütemét; így zárul le: "Kívánom, hogy sikerüljön megfelelnie ezeknek a kihívásoknak, mert az éghajlatnak minden segítségre szüksége van! " . A Nemzetközi Energiaügynökség főigazgatója , Fatih Birol elmondta: „Minden tiszta technológiát meg kell vizsgálnunk. Fontos a nap és a szél. De szerintünk a nukleáris és a CCS is fontos. Nem lehet olyan luxus, hogy a kívánt technológiát választjuk ” .
A Francia Nemzetközi Kapcsolatok Intézetének (IFRI) feljegyzése szerint „a nyugati polgári atomenergia-projektek késedelme és többletköltségei megszilárdítják az orosz-kínai duopóliumot a harmadik és negyedik generációs reaktorok exportjában. Ebben az összefüggésben a kisméretű moduláris reaktorok ( kisméretű moduláris reaktorok , SMR-ek) megismerték érdeklődésüket, és számos szereplő fejleszti őket, főként orosz és kínai állami tulajdonban lévő vállalkozásoktól az észak-amerikai induló vállalkozások sokaságában . " Ez a feljegyzés úgy véli, hogy a nagy EPR-k korszaka véget ért, és az integrált és szabványosított tervezésű kicsi reaktorokat modulárisan lehetne gyártani a gyárban, csökkentve ezzel a költségeket és az építési időt. Ezek a kis reaktorok a feltörekvő országok felé vonzódhatnak.