În funcție de contextul utilizării, termenul energia nucleară acoperă mai multe sensuri, toate legate de fizica și reacțiile de nuclee atomice .
Radioactivitatea este un fenomen fizic natural, manifestată prin faptul că anumite tipuri de nuclee atomice , instabil, poate disipa sub forma unei energie o parte din greutatea lor inițială (prelucrată conform stadiului cunoscut formula E = mc 2 din Albert Einstein ) și spontan evoluează către nuclee atomice mai stabile, prin dezintegrare .
Un corp radioactiv degajă în mod natural această energie sub forma unui flux de radiații ionizante și căldură . Această căldură este deosebit de intensă pentru combustibilul nuclear din reactor; acesta este motivul pentru care combustibilul uzat este stocat într-un bazin de combustibil uzat lângă reactor. Este același fenomen care se află la originea unei părți a căldurii scoarței continentale a Pământului.
O reacție nucleară este o interacțiune în care un nucleu interacționează cu o altă particulă ( particulă elementară , dar și nucleu atomic sau radiație gamma ) și suferă o rearanjare nucleară.
Aceste reacții sunt cu atât mai ușoare cu cât conduc la configurații mai stabile. Diferența de energie (corespunzătoare defectului de masă ) constituie atunci energia eliberată de reacție. Această transformare a masei în energie (conform celebrei formule E = mc 2 ) este utilizată în reacțiile de fisiune nucleară și fuziune .
Când un neutron lovește nucleul anumitor izotopi grei , există probabilitatea ca nucleul afectat să se împartă în doi nuclei mai ușori. Această reacție, care poartă numele de fisiune nucleară , are ca rezultat o eliberare de energie foarte semnificativă (de ordinul a 200 MeV per eveniment, comparativ cu energiile reacțiilor chimice , de ordinul eV ).
Această fisiune este însoțită de emisia mai multor neutroni care, în anumite condiții, se ciocnesc cu alți nuclei și astfel provoacă o reacție în lanț . Într-un reactor nuclear, această reacție în lanț are loc în condiții stabile, la o rată lentă și controlată. Într-o bombă, unde materia este plasată brusc foarte departe de raza sa de stabilitate, reacția se înmulțește atât de rapid încât duce la o reacție explozivă.
Importanța energiei emise în timpul fisiunii provine din faptul că energia de legare pe nucleon a nucleului inițial este mai mică decât cea a nucleelor produse (aproximativ 7,7 MeV per nucleon pentru elementele grele, față de 8, 8 pentru fier). Cea mai mare parte a energiei se găsește sub formă de energie cinetică a neutronilor și a nucleelor fiice, energie recuperată sub formă de căldură în reactoare. Potrivit CEA, energia produsă de 1 kg de uraniu natural într-un reactor nuclear este egală cu energia a 10 tone echivalent petrol (deget). Conform observațiilor recente ale undelor gravitaționale, această energie de legare provine din conversia energiei gravitaționale în energie cinetică, apoi în energie de legare în timpul formării elementelor grele prin procesul r în timpul coalescenței a două stele la neutroni (un fenomen numit și kilonova ).
Fuziunea este o reacție în care două nuclee atomice se combină pentru a forma un nucleu mai grele; de exemplu, un nucleu de deuteriu și un nucleu de tritiu se unesc pentru a forma un nucleu de heliu plus un neutron. Fuziunea nucleelor de lumină degajă o cantitate considerabilă de energie din interacțiunea puternică , mult mai mare decât repulsia electrostatică dintre constituenții nucleelor de lumină. Acest lucru are ca rezultat un defect de masă (a se vedea energia de legare și E = mc 2 ), nucleul rezultat având o masă mai mică decât suma maselor nucleilor originali.
Această reacție are loc doar la temperaturi foarte ridicate (câteva zeci de milioane de grade) în care materialul se află în stare plasmatică . Aceste condiții sunt îndeplinite în stele, în timpul exploziei unei bombe de fisiune nucleară care inițiază astfel explozia termonucleară ( bomba H ) sau în reactoarele nucleare experimentale .
În 2021, nicio instalație nu va permite o producție netă de energie prin controlul reacțiilor de fuziune nucleară. Cercetările sunt în curs pentru a obține o plasmă pe o durată suficientă, astfel încât energia de fuziune produsă să fie mai mare decât cea investită în încălzirea particulelor. În special, proiectul internațional ITER reunește cercetători pentru a dezvolta utilizarea civilă a acestei energii. Asamblarea acestui reactor a început în continuareiulie 2020în Saint-Paul-lès-Durance în Franța și primele sale teste ar trebui să aibă loc în 2025.
Energia nucleară este de aproximativ 1% din energia de masă dată de formula lui Einstein pentru energia de masă (aici cea a unui proton):
.Este energia necesară pentru a separa un neutron de un proton . Este , de asemenea , energia de legătură a nucleului al atomului de hidrogen .
Este de ordinul unui milion de ori mai mare decât al energiei chimice care este mai puțin cunoscută și dată de constanta Rydberg rezultată din teoria lui Bohr a atomului de hidrogen:
.Energia nucleară este în general atribuită unei interacțiuni ipotetice, forța puternică . O teorie dezvoltată asupra forței de coeziune a nucleelor izotopilor hidrogenului indică faptul că acesta poate fi exprimat printr-o formulă similară cu cele precedente și cu valoare intermediară:
Ordinea de mărime a acestei energii de separare neutroni-proton este aproape de energia de legătură 2 H deuteriu , 2,2 MeV sau 1,1 MeV per nucleon. Este jumătate din particula care este și heliu 4, 4 He. Nucleii de fier Fe și nichelul Ni sunt elementele chimice care au cea mai mare energie de legare nucleară, puțin mai mică de 9 MeV .
Cunoscând formulele energiilor nucleare și chimice, deducem ordinea de mărime a raportului lor:
Aplicațiile energiei nucleare se referă în principal la două domenii:
O altă aplicație este producerea de izotopi radioactivi utilizați în industrie ( radiografia sudată, de exemplu) și în medicină ( medicina nucleară și radioterapie ). Au fost imaginate și chiar experimentate alte utilizări, cum ar fi producerea de căldură pentru alimentarea unei rețele de încălzire , desalinizarea apei de mare sau producerea de hidrogen .
Aceste aplicații folosesc reactoare nucleare (numite și celule atomice , când vine vorba de putere redusă, utilizare experimentală și producerea de radioizotopi). Reacțiile de fisiune nucleară sunt inițiate, moderate și controlate în miez, adică asamblarea combustibilului și a tijelor de control traversate de un agent de răcire care extrage căldura din acesta. Această căldură este apoi transformată în energie electrică (sau în energie motrice pentru propulsia navală) prin turbine (generatoare de abur).
Centrul nuclearCele 441 de reactoare aflate în funcțiune la 4 iulie 2020capacitate instalată totală de 390.220 MW , din care 97.154 MW (24,9%) în Statele Unite, 62.250 MW (16%) în Franța, 45.518 MW (11,7%) în China, 31.679 MW (8,1%) în Japonia (33 de reactoare de care doar 9 au fost autorizați să repornească), 28.437 MW (7,3%) în Rusia și 23.172 MW (5,9%) în Coreea de Sud.
Cele 54 de reactoare în construcție din 19 țări au o capacitate totală de 57.441 MW , din care 10.564 MW (18,4%) în China, 5.380 MW (9,4%) în Emiratele Arabe Unite, 4.824 MW (8,4 %) %) în India, 4.525 MW (7,9%) în Rusia și 3.260 MW (5,7%) în Regatul Unit.
Producția de energie electrică de la centralele nucleare a atins un maxim de 2.661 TWh în 2006; după ce a scăzut la 2.346 TWh în 2012 în urma accidentului nuclear de la Fukushima , a crescut treptat la 2.586 TWh în 2019.
Ponderea energiei nucleare în producția mondială de electricitate a fost de 10,3% în 2017 față de 3,3% în 1973. Principalele țări producătoare de energie nucleară sunt Statele Unite (31,8% din totalul lumii), Franța (15,1%), China (9,4%) , Rusia (7,7%) și Coreea de Sud (5,6%).
În urma accidentului nuclear de la Fukushima, producția de energie nucleară a scăzut de la 2.518 TWh în 2011, sau 13,5% din producția globală de energie electrică, la 10,8% în 2012, apoi a rămas la aproximativ 11% până în 2015.
Franța este țara cu cea mai mare pondere de energie nucleară în 2019 (70,6%), urmată de Slovacia (53,9%), Ucraina (53,9%), Ungaria (49,2%) și Belgia (47,6%). Această producție în China a crescut rapid de la mijlocul anilor 2000, ajungând la 330 TWh în 2019, sau 4,9% din producția de electricitate a țării. Cei mai mari producători sunt Statele Unite (809 TWh ), Franța (382 TWh ), China, Rusia (195,5 TWh ) și Coreea de Sud (139 TWh ).
28 noiembrie 2018, Comisia Europeană publică o comunicare care propune o strategie energetică pe termen lung (2050) axată pe decarbonizarea consumului de energie, reducerea emisiilor cu 90% până în 2050 prin combinarea măsurilor de îmbunătățire a eficienței energiei, creșterea ponderii energiei electrice în consumul final de energie (53 % în 2050 contra 20% în 2017); prevede o utilizare sporită a energiei nucleare (15% din producția de energie electrică în 2050) alături de energiile regenerabile (80% în 2050).
A fost pus în funcțiune reactorul de tip AP1000 de a treia generațieiunie 2018, în centrala nucleară Sanmen ( Zhejiang , China).
Navele cu energie nucleară utilizează unul sau mai multe reactoare nucleare. Căldura produsă este transmisă unui fluid de transfer de căldură utilizat pentru a genera vapori de apă acționând:
În lume există în jur de 400 de nave nucleare, covârșitor de militare, în principal submarine , dar și portavioane și crucișătoare și câteva nave civile, în principal spărgătoare de gheață . În ceea ce privește încărcăturile, nuclearul a fost experimentat și în anii 1960 și 1970 (americanul NS Savannah , germanul Otto Hahn și japonezul Mutsu ), dar utilizarea lor nu s-a dovedit profitabilă și aceste experimente au fost întrerupte.
Investiția și costurile de exploatare ale propulsiei nucleare sunt semnificative, ceea ce o face rareori atractivă pentru uz civil. Este foarte interesant doar pentru uz militar și în special pentru submarine. Această energie aduce:
Prin urmare, propulsia nucleară oferă submarinelor un avantaj decisiv, până la punctul în care putem, în comparație, să calificăm submarinele convenționale drept submarine simple.
Propulsie spațialăSondele Voyager I și II au transportat deja generatoare nucleare pentru a-și alimenta sistemul electronic. Pe de altă parte, propulsia nucleară, dacă este posibilă, este încă luată în considerare doar. Ar avea avantajul de a produce o forță, desigur scăzută, dar constantă pe parcursul întregii călătorii, în timp ce navele spațiale actuale - cu excepția celor care utilizează energie solară și motoare ionice - pot produce doar o singură forță inițială sau unele ajustări ale traiectoriei, din cauza nivelului scăzut capacitatea tancurilor lor. Acesta este motivul pentru care sunt numiți balistici , și acesta este și motivul pentru care trebuie să atingă viteza de eliberare de la început. În călătoriile lungi, de exemplu interplanetare, această accelerație continuă ar putea fi la nivel global mai eficientă decât accelerația inițială utilizată în prezent.
Guvernul SUA a acordat NASA 125 de milioane de dolari pentru proiectarea unei rachete alimentate de un reactor nuclear care încălzește un fluid, de obicei hidrogen lichid, la o temperatură foarte ridicată; acest fluid este evacuat printr-o conductă din spatele motorului, creând astfel o forță care permite racheta să fie propulsată. Această tehnologie ar putea reduce considerabil timpul de deplasare. Agenția spațială americană speră să poată utiliza viitorul motor nuclear din misiunea sa lunară în 2024 și în special pentru obiectivul Marte în 2033.
Puterea energiei nucleare este în acest caz folosită ca exploziv. Scara energiei totale emise de bombele nucleare variază de la kilotone la megatonul echivalentului TNT . Energia unei explozii nucleare este distribuită în principal în efectul de explozie (undă de șoc), efectul termic, efectul de impuls electromagnetic și radiații.
Tipuri de armeCele Armele nucleare sunt de două tipuri:
Grenadierule este o variantă a unei bombe termonucleare conceput pentru a maximiza ponderea energiei emise sub formă de neutroni; ar trebui să distrugă formele de viață mai mari din vecinătatea țintei, provocând în același timp daune materiale minime.
IstoriePrima utilizare militară a unei arme nucleare (" bomba A ") a fost în 1945 , 6 și 69 august, Renunțarea la două bombe asupra japoneze orașe din Hiroshima și Nagasaki de către american armată , în scopul de a pune capăt al doilea război mondial . De atunci, acest tip de armament a făcut obiectul doar testelor nucleare experimentale (atmosferice apoi subterane) și apoi modelării computerizate. Bomba atomică a fost sursa doctrinei de descurajare sau de echilibru al terorii , care a fost dezvoltat în timpul Războiului Rece .
Doctrina IovÎn doctrina angajării majorității puterilor nucleare, distingem:
Doctrina franceză nu a luat în considerare niciodată utilizarea armelor nucleare în scopuri tactice. Armele de putere relativ redusă (rachetele Pluto, apoi Hades , acum retrase, rachetele de croazieră ASMP ) sunt definite ca pre-strategice ; în această concepție, aceste arme servesc doar întâmplător unui scop militar de pe teren, efectul lor principal fiind acela de „avertisment final”, de natură politică, pentru a-i avertiza pe liderii inamici că interesele vitale ale Franței sunt de acum înainte în joc. și că următorul nivel de represalii va fi termo-nuclear.
În timpul celui de-al doilea război mondial , producția de arme atomice a fost principala rațiune de a fi a industriei nucleare.
Din anii 1970, această industrie lucrează și pentru producerea de energie.
Producția de energie nucleară este o activitate de înaltă tehnologie care necesită un control riguros și permanent.
Acest control este efectuat atât de autoritățile naționale de siguranță (autoritatea franceză de siguranță nucleară ), cât și internaționale (cum ar fi AIEA sau Euratom în Europa).
În comparație cu alte surse de energie, energia nucleară civilă necesită investiții inițiale foarte mari, dar beneficiază de un cost de funcționare mai mic pe kilowatt-oră produs, ceea ce duce la o rată internă redusă de rentabilitate : investiția în sectorul nuclear poate fi concepută doar în cadrul o politică pe termen foarte lung. Această exploatare continuă pentru perioade care se ridică la decenii. Costul energiei nucleare depinde în mare măsură de perioada în care investiția inițială este amortizată , iar posibila prelungire a funcționării acestora constituie un miz economic foarte important. Rentabilitatea variază, de asemenea, foarte mult în funcție de soluțiile tehnice propuse (tipul centralei electrice, combustibilul etc.).
Costul combustibilului nuclear se datorează în principal îmbogățirii uraniului și fabricării elementelor combustibile, care necesită o tehnologie relativ complexă. Ponderea minereului de uraniu în costul energiei este redusă în comparație cu cea a combustibililor fosili: energia nucleară este ea însăși sursa activității industriale specializate.
China lucrează, de asemenea, în parteneriat cu Statele Unite, la dezvoltarea unei tehnologii de reactor nuclear cu sare topită , al cărei cost ar fi mai mic decât cel al cărbunelui prin comparație.
India și China sunt țările în care nuclearul se dezvoltă cel mai mult în 2019, dar Statele Unite au în continuare cea mai mare flotă nucleară din lume. Cu toate acestea, doar un singur reactor nuclear este în funcțiune acolo de 30 de ani (Watts Bar 2, în Tennessee , 1.200 MW conectați la rețea în 2016) în timp ce opt unități au fost oprite din 2013 până în 2019 (ultima fiind Pilgrim 1, în Massachusetts , târziuMai 2019); și sunt anunțate doar două proiecte: unitățile 3 și 4 ale uzinei Vogtle din Georgia, care ar trebui să fie echipate cu reactoare de tip a treia generație AP100 în 2021 și 2022. Primul dintre aceste reactoare noi a fost lansat pe site-urile VC Summer din Georgia și Vogtle în Carolina de Sud, fiecare cu două reactoare AP1000 , dar îniulie 2017proiectul VC Summer a fost abandonat ( centrala nucleară Virgil Summer ). În plus, aceste două proiecte în desfășurare au suferit probleme tehnice, întârzieri și depășiri și buget (27 de miliarde de dolari menționați în 2019), precum cele ale EPR european din Flamanville în Franța și din Olkiluoto în Finlanda.
În același timp, „boom-ul de gaz de șist ”, datorită tehnologiei de fracturare hidraulică , a determinat scăderea prețurilor la gaz și energie, stimulând o proliferare a centralelor electrice cu ciclu combinat . Patru reactoare nucleare s-au închis în 2013 din cauza lipsei de competitivitate și un al cincilea la sfârșitul anului 2014. Cu toate acestea, prețul gazului ar trebui să crească pe termen mediu sau lung, făcând nucleara mai competitivă, mai ales dacă standardele de emisii de CO 2sunt instituite mai severe. În același timp, costul energiei solare și eoliene a scăzut foarte mult. Înmartie 2017, principalul producător de reactoare nucleare, care echipează peste 50% din reactoarele din lume, Westinghouse , a fost declarat falit. Investitorii au arătat recent un mare interes pentru reactoarele modulare de sare topită ( MSR ), care ar putea înlocui centralele electrice pe cărbune din cauza închiderii din cauza reglementărilor privind poluarea aerului ; dar mai multe companii care dezvoltă acest concept și-au redus programele din lipsa perspectivelor de desfășurare pe termen scurt.
În 2019, Agenția Internațională pentru Energie (EIA) estimează că energia electrică nucleară din Statele Unite ar putea scădea cu 17% în 2025 comparativ cu nivelul din 2018, o pierdere care va fi „în mare parte compensată de (creșterea producției) noilor gaze naturale , centrale eoliene și solare ” . Înaugust 2019, administrația Trump creează, în sprijinul industriei nucleare, Centrul Național de Inovare a Reactoarelor (NRIC), un centru dedicat „desfășurării de reactoare avansate” în sectorul privat prin deschiderea laboratoarelor publice americane, pentru validarea noilor sisteme și accelerează licențierea și comercializarea acestor reactoare, a reactoarelor modulare mici ( reactoare modulare mici , SMR) și a altor micro-reactoare. Administrația Trump a luat, de asemenea, măsuri legislative pentru a ridica frâna la experimentarea cu noi soluții nucleare.
Riscurile și costurile nu sunt evaluate în același mod de către pro-nuclear și anti-nuclear , care sunt, de asemenea, împărțite în ceea ce privește utilitatea aplicațiilor nucleare civile și militare, în special generarea de energie nucleară și oportunitatea eliminării treptate a nuclearului civil. putere .
Aplicațiile civile ale energiei nucleare sunt controversate din cauza:
Susținătorii aplicațiilor civile ale energiei nucleare avansează alte argumente:
Președintele IPCC , Hoesung Lee , a prezentat detaliile la conferința AIEAoctombrie 2019, concluziile raportului special SR1.5 publicat în 2018. Pe baza celor 21 de modele disponibile, IPCC a studiat 89 de traiectorii făcând posibilă limitarea creșterii temperaturii globale la 1,5 ° C până în 2100. Aceste traiectorii arată o semnificativă efort în ceea ce privește eficiența energetică, precum și o dublare a ponderii energiei electrice în energia totală (de la 19% în 2020 în valoare mediană la 43% în 2050). Energia nucleară contribuie la eforturile de decarbonizare a electricității în marea majoritate a celor 89 de traiectorii. Pentru președintele IPCC, energia nucleară trebuie să facă față a două provocări principale: competitivitatea în comparație cu alte tehnologii non-fosile și accelerarea ratei de desfășurare; el concluzionează: „Vă doresc succes în a face față acestor provocări, deoarece climatul are nevoie de tot ajutorul pe care îl poate obține!” " . Directorul general al Agenției Internaționale pentru Energie , Fatih Birol a spus: „Trebuie să ne uităm la toate tehnologiile curate. Solarul și vântul sunt importante. Dar credem că nuclearul și CSC sunt, de asemenea, importante. Nu putem avea luxul de a alege tehnologia noastră preferată ” .
Potrivit unei note a Institutului francez de relații internaționale (IFRI), „întârzierile și costurile suplimentare ale proiectelor occidentale în domeniul energiei nucleare civile consolidează un duopol rus-chinez la exportul de reactoare de generația a treia și a patra. În acest context, reactoarele modulare mici ( reactoare modulare mici , SMR-uri) au reînnoit interesul și sunt dezvoltate de mulți actori, din principal întreprinderi de stat rusești și chineze dintr-o multitudine de start-up-uri din America de Nord ” . Această notă consideră că epoca EPR-urilor mari s-a încheiat și reactoarele mici cu inginerie integrată și standardizată ar putea fi produse în mod modular în fabrică, reducând costurile și timpul de construcție. Aceste mici reactoare ar putea atrage țările emergente.