Riippuen käyttöyhteydestä termi ydinenergia kattaa useita merkityksiä, kaikki liittyvät fysiikan ja reaktiot sekä atomiytimen .
Radioaktiivisuus on fysikaalinen ilmiö luonnollinen, ilmenee siitä, että tietyt atomiytimen , epävakaa, voi haihduttaa muodossa energian osa niiden alkuperäisestä painosta (käsitelty tunnetun kaavan E = mc 2 ja Albert Einstein ) ja spontaanisti kehittyisi kohti vakaa atomien ytimet, jonka hajoaminen .
Radioaktiivinen kappale luovuttaa luonnollisesti tämän energian ionisoivan säteilyn ja lämmön virtauksena . Tämä lämpö on erityisen voimakasta reaktorin ydinpolttoaineelle ; tästä syystä käytetty polttoaine varastoidaan reaktorin lähellä olevaan käytetyn polttoaineen altaaseen . Se on sama ilmiö, joka on osa maapallon mannerkuoren lämpöä .
Ydinreaktio on vuorovaikutus, jossa ydin on vuorovaikutuksessa toisen partikkelin ( hiukkasen , mutta myös atomin ytimen tai gammasäteily ) ja käy läpi ydin- uudelleenjärjestymisen.
Nämä reaktiot ovat sitä helpompia, koska ne johtavat vakaampiin kokoonpanoihin. Energiaero (vastaa massavirhettä ) muodostaa sitten reaktion vapauttaman energian. Tämä muutos massan energiaksi (mukaan kuuluisan kaavan E = mc 2 ) käytetään ydin- fission ja fuusion reaktioita .
Kun neutroni osuu tiettyjen raskaiden isotooppien ytimeen , on todennäköisyys, että iskeytynyt ydin jakautuu kahteen kevyempään ytimeen. Tämä reaktio, jota kutsutaan ydinfissioksi , johtaa erittäin merkittävään energian vapautumiseen (luokkaa 200 MeV tapahtumaa kohden verrattuna kemiallisten reaktioiden energioihin, luokkaa eV ).
Tähän fissioon liittyy useiden neutronien emissio, jotka tietyissä olosuhteissa törmäävät muihin ytimiin ja aiheuttavat siten ketjureaktion . Ydinreaktorissa tämä ketjureaktio tapahtuu vakaissa olosuhteissa, hitaalla ja kontrolloidulla nopeudella. Pommissa, jossa aine on yhtäkkiä sijoitettu hyvin kauas vakausalueestaan, reaktio lisääntyy niin nopeasti, että se johtaa räjähtävään reaktioon.
Hajoamisen aikana emittoidun energian merkitys johtuu siitä, että sitoutumisenergia alkuperäisen ytimen nukleonia kohden on pienempi kuin tuotettujen ytimien energia (noin 7,7 MeV nukleonia kohden raskailla alkuaineilla, 8, 8 rautaa kohden). Suurin osa energiasta löytyy neutronien ja tytärytimien kineettisestä energiasta , energia palautuu lämmön muodossa reaktorissa. CEA: n mukaan 1 kg luonnonuraanin tuottama energia ydinreaktorissa on yhtä suuri kuin 10 tonnin öljyekvivalentin (varvas) energia . Uusimpien huomautusten gravitaatioaallot, tämä sitova energia tulee muuntaminen painovoiman energiaa kineettinen energia, sitten sidosenergia muodostumisen aikana raskaiden elementtien r prosessin aikana yhtyminen kahden tähdet neutroneja (ilmiö jota kutsutaan myös kilonova ).
Fuusio on reaktio, jossa kaksi atomiytimillä muodostavat yhdessä raskaamman ytimen; esimerkiksi deuteriumin ydin ja tritiumin ydin yhdistyvät muodostaen heliumin ytimen ja neutronin. Fuusio valon ytimiä vapauttaa huomattavan määrän energiaa päässä vahva vuorovaikutus , paljon suurempi kuin sähköstaattinen repulsio välillä ainesosien valon ytimiä. Tämä johtaa massan vika (ks sitova energia ja E = mc 2 ), tuloksena ydin joiden massa on pienempi kuin massojen summa alkuperäisen ytimeksi.
Tämä reaktio tapahtuu vain hyvin korkeissa lämpötiloissa (useita kymmeniä miljoonia asteita), missä materiaali on plasmatilassa . Nämä ehdot täyttyvät tähtien sisällä, ydinfissiopommin räjähdyksen aikana, joka näin aloittaa lämpöydinräjähdyksen ( H-pommi ), tai kokeellisissa ydinreaktoreissa .
Vuonna 2021 mikään laitos ei salli energian nettotuotantoa kontrolloimalla ydinfuusioreaktioita. Tutkimusta tehdään plasman saamiseksi riittävän pitkäksi ajaksi, jotta tuotettu fuusioenergia on suurempi kuin hiukkasten lämmitykseen käytetty energia. Erityisesti kansainvälinen ITER-projekti yhdistää tutkijoita kehittämään tämän energian siviilikäyttöä. Tämän reaktorin kokoonpano alkoiheinäkuu 2020in Saint-Paul-lès-Durance Ranskassa ja sen ensimmäiset testit pitäisi tapahtua vuonna 2025.
Ydinenergia on noin 1% massaenergiasta, jonka Einsteinin massaenergian kaava antaa (tässä protonin):
.Se on energia, joka tarvitaan neutronin erottamiseen protonista . Se on myös sidosenergian ydin on vetyatomi .
Se on miljoonan kerran suurempi kuin kemiallinen energia, joka on vähemmän tunnettu ja annettu Rydberg-vakion perusteella, joka johtuu Bohrin vetyatomiteoriasta:
.Ydinenergia johtuu yleensä hypoteettisesta vuorovaikutuksesta, vahvasta voimasta . Vetyisotooppien ytimien yhteenkuuluvuusvoimasta kehitetty teoria osoittaa, että se voidaan ilmaista edellisiä vastaavalla ja väliarvoisella kaavalla:
Suuruusluokkaa tämän neutroni-protoni erottaminen energia on lähellä sidosenergian 2 H deuteriumilla , 2,2 MeV , tai 1,1 MeV kohti nukleoni. Se on puolet hiukkasesta, joka on myös helium 4, 4 He. Rauta-Fe: n ja nikkeli-Ni: n ytimet ovat kemiallisia alkuaineita, joilla on suurin ydinsitoutumisenergia, hieman alle 9 MeV .
Tietäen ydin- ja kemiallisten energioiden kaavat, päätämme niiden suhteen suuruusluokan:
Ydinenergian sovellukset koskevat pääasiassa kahta aluetta:
Toinen sovellus on teollisuudessa ( esimerkiksi hitsiröntgenkuva ) ja lääketieteessä ( ydinlääketiede ja sädehoito ) käytettävien radioaktiivisten isotooppien tuotanto . Muita käyttötarkoituksia on kuviteltu ja jopa kokeiltu, kuten lämmön tuotanto lämmitysverkkoon , meriveden suolanpoisto tai vedyn tuotanto .
Nämä sovellukset käyttävät ydinreaktoreita (joita kutsutaan myös atomikennoiksi , kun on kyse pienitehoisuudesta, kokeellisesta käytöstä ja radioisotooppien tuotannosta). Ydinfission reaktiot käynnistetään, kohtalainen ja ohjataan ydin, eli kokoonpano polttoaineen ja säätösauvojen ylitetään jäähdytysneste , joka lämpöä siitä. Tämä lämpö muunnetaan sitten sähköenergiaksi turbiinien (höyrygeneraattorien) välityksellä.
YdinkeskusPaikan päällä olevat 441 reaktoria 4. heinäkuuta 2020Asennettu kokonaiskapasiteetti oli 390 220 MW , josta 97154 MW (24,9%) Yhdysvalloissa, 62 250 MW (16%) Ranskassa, 45 518 MW (11,7%) Kiinassa, 31 679 MW (8,1%) Japanissa (33 reaktoria) joista vain 9 on annettu lupa jatkaa), 28437 MW (7,3%) Venäjältä ja 23172 MW (5,9%) Etelä-Koreassa.
54 reaktoria rakenteilla 19 maassa on yhteensä kapasiteetti on 57441 MW , josta 10564 MW (18,4%) Kiinassa, 5380 MW (9,4%) vuonna Arabiemiirikunnat, 4824 MW (8,4 %) %) Intiassa, 4525 MW (7,9%) Venäjällä ja 3260 MW (5,7%) Isossa-Britanniassa.
Ydinvoimalaitosten sähköntuotanto oli korkeimmillaan 2 661 TWh vuonna 2006; sen jälkeen, kun Fukushiman ydinonnettomuuden jälkeen se putosi 2346 TWh: iin vuonna 2012 , se nousi vähitellen 2586 TWh: iin vuonna 2019.
Ydinvoiman osuus maailman sähköntuotannosta oli 10,3% vuonna 2017 verrattuna 3,3%: iin vuonna 1973. Tärkeimmät ydinsähköntuottajamaat ovat Yhdysvallat (31,8% maailman kokonaismäärästä), Ranska (15,1%), Kiina (9,4%). , Venäjä (7,7%) ja Etelä-Korea (5,6%).
Sen jälkeen, kun Fukushiman ydinonnettomuus, ydinvoima sähköntuotannossa laski 2518 terawattituntia vuonna 2011, eli 13,5% maailman sähköntuotannosta, 10,8% vuonna 2012, sitten pysyi noin 11% vuoteen 2015.
Ranska on maa, jolla on suurin ydinvoiman osuus vuonna 2019 (70,6%), jota seuraavat Slovakia (53,9%), Ukraina (53,9%), Unkari (49,2%) ja Belgia (47,6%). Tämä tuotanto Kiinassa on kasvanut nopeasti 2000-luvun puolivälistä lähtien ja saavuttanut 330 TWh vuonna 2019, mikä on 4,9% maan sähköntuotannosta. Suurimmat tuottajat ovat Yhdysvallat (809 TWh ), Ranska (382 TWh ), Kiina, Venäjä (195,5 TWh ) ja Etelä-Korea (139 TWh ).
28. marraskuuta 2018Euroopan komissio julkaisee tiedonannon, jossa ehdotetaan pitkän aikavälin energiastrategia (2050) keskittyi vähähiilisen energian kulutuksesta, vähentää päästöjä 90% vuoteen 2050 yhdistämällä energiankäytön tehokkuuden lisäämiseksi energian lisääntyminen sähkön osuus energian loppukäytöstä (53 % vuonna 2050 verrattuna 20%: iin vuonna 2017); se lisää ydinvoiman käyttöä (15% sähköntuotannosta vuonna 2050) uusiutuvien energialähteiden rinnalla (80% vuonna 2050).
Kolmannen sukupolven AP1000- tyyppinen reaktori otettiin käyttöön vuonnakesäkuu 2018, Sanmenin ydinvoimalassa ( Zhejiang , Kiina).
Ydinkäyttöiset alukset käyttävät yhtä tai useampaa ydinreaktoria. Tuotettu lämpö siirretään lämmönsiirtonesteeseen, jota käytetään vesihöyryn tuottamiseen:
Maailmassa on noin 400 ydinkäyttöistä alusta, ylivoimaisesti sotilaalliset, pääasiassa sukellusveneet , mutta myös lentotukialukset ja risteilijät sekä muutama siviililaiva, lähinnä jäänmurtajat . Of lasti Nuclear havaittiin myös 1960 ja 1970 (amerikkalainen NS Savannah , Saksan Otto Hahn ja Japani Mutsu ), mutta niiden käyttö ei ole osoittautunut kannattavaksi ja nämä kokeet on lopetettu.
Ydinvoimaloiden investointi- ja käyttökustannukset ovat merkittävät, mikä tekee siitä harvoin houkuttelevan siviilikäyttöön. Se on todella mielenkiintoinen vain sotilaskäyttöön, ja erityisesti sukellusveneille. Tämä energia tuo:
Ydinvoima antaa siksi sukellusveneille ratkaisevan edun siihen pisteeseen asti, että voimme verrata perinteisiä sukellusveneitä yksinkertaisiin sukellusveneisiin.
AvaruusvoimaVoyager I ja II -koettimet ovat jo kuljettaneet ydingeneraattoreita sähköisen järjestelmän virran saamiseksi. Toisaalta, ydin- käyttövoima , mikäli mahdollista, on vielä kesken. Sen etuna olisi työntövoiman tuottaminen, tosin alhainen, mutta vakio koko matkan ajan, kun taas nykyiset avaruusalukset - lukuun ottamatta aurinkoenergiaa ja ionimoottoreita käyttäviä - voivat tuottaa vain yhden alkuperäisen työntövoiman tai joitain lentoradan säätöjä matalan takia. niiden säiliöiden kapasiteetti. Siksi niitä kutsutaan ballistisiksi , ja myös heidän on saavutettava vapautumisnopeus alusta alkaen. Pitkillä matkoilla, esimerkiksi planeettojen välinen, tämä jatkuva kiihdytys voisi olla maailmanlaajuisesti tehokkaampaa kuin nykyinen alkuperäinen kiihdytys.
Yhdysvaltain hallitus on antanut NASAlle 125 miljoonaa dollaria suunnitella ydinreaktorilla toimiva raketti, joka lämmittää nesteen, yleensä nestemäistä vetyä, erittäin korkeaan lämpötilaan; tämä neste poistetaan moottorin takaosassa olevan kanavan kautta, mikä luo työntövoiman, joka mahdollistaa raketin kuljettamisen.Tämä tekniikka voi vähentää huomattavasti matka-aikoja. Amerikkalainen avaruusjärjestö toivoo voivansa käyttää tulevaa ydinmoottoria kuutehtävistään vuonna 2024 ja erityisesti Marsin tavoitteeseen vuonna 2033.
Ydinenergian voimaa käytetään tässä tapauksessa räjähteinä. Ydinpommien luovuttaman kokonaisenergian asteikko vaihtelee yhdestä kilotonnista yhteen megatonin TNT- ekvivalenttiin . Ydinräjähdyksen energia jakautuu pääasiassa räjähdysvaikutukseen (iskuaalto), lämpövaikutukseen, sähkömagneettiseen impulssivaikutukseen ja säteilyyn.
Aseiden tyypitYdinaseet ovat kahdenlaisia:
Neutronipommi on muunnelma lämpöydinpommiksi suunniteltu maksimoimaan osan energialähteiden muodossa purkautuvan neutronien; sen on tarkoitus tuhota kohteen läheisyydessä olevat suuremmat elämänmuodot aiheuttaen samalla minimaalista omaisuusvahinkoa.
HistoriaEnsimmäinen sotilaallinen käyttö ydinaseen ( " pommittaa ") oli 1945 , 6 ja9. elokuutaPutoaminen kahden pommeja Japanin kaupunkeihin sekä Hiroshiman ja Nagasakin jonka Yhdysvaltain armeijan , jotta laittaa lopettamiseksi toisen maailmansodan . Siitä lähtien tämäntyyppisille aseille on tehty vain kokeellisia ydinkokeita (ilmakehän sitten maanalaisia) ja sitten tietokonemallinnuksia. Atomipommi oli lähde opin ja ehkäisevän vaikutuksen tai kauhun tasapaino , joka on kehitetty aikana kylmän sodan .
TyöoppiUseimpien ydinvoimien työllistämistä koskevassa opissa erotellaan:
Ranskalaisessa opissa ei ole koskaan harkittu ydinaseiden käyttöä taktisiin tarkoituksiin. Suhteellisen pienitehoiset aseet ( Pluto sitten Hades- ohjukset , nyt vetäytyneet, ASMP- risteilyohjukset ) määritellään ennalta strategisiksi ; tässä käsityksessä nämä aseet palvelevat vain satunnaisesti sotilaallista tavoitetta kentällä, ja niiden pääasiallinen vaikutus on "lopullinen varoitus", luonteeltaan poliittinen, varoittamaan vihollisen johtajia siitä, että Ranskan elintärkeät edut ovat vastassa. ja että seuraava kostotoimien taso on lämpöydin.
Toisen maailmansodan aikana atomiaseiden tuotanto oli ydinteollisuuden pääasia.
1970-luvulta lähtien tämä teollisuus on työskennellyt myös energiantuotannossa.
Ydinenergian tuotanto on korkean teknologian toimintaa, joka vaatii tiukkaa ja pysyvää valvontaa.
Valvonnan suorittavat sekä kansalliset turvallisuusviranomaiset ( Ranskan ydinturvallisuusviranomainen ) että kansainväliset (kuten IAEA tai Euroopan Euratom ).
Siviilien ydinenergia vaatii muihin energialähteisiin verrattuna erittäin suuria alkuinvestointeja, mutta hyötyy alhaisemmista käyttökustannuksista tuotettua kilowattituntia kohti, mikä johtaa alhaisiin sisäisiin tuottoprosentteihin : ydinvoima-alan investoinnit voidaan suunnitella vain hyvin pitkän aikavälin politiikka. Tätä hyväksikäyttöä jatketaan vuosikymmenien ajan. Ydinenergian kustannukset riippuvat voimakkaasti ajanjaksosta, jonka aikana alkuperäiset investoinnit poistetaan , ja niiden toiminnan mahdollinen laajentaminen on erittäin tärkeä taloudellinen panos. Kannattavuus vaihtelee myös suuresti riippuen ehdotetuista teknisistä ratkaisuista (voimalaitostyyppi, polttoaine jne.).
Ydinpolttoaineen hinta johtuu pääasiassa uraanin rikastamisesta ja polttoaine-elementtien valmistuksesta, jotka vaativat suhteellisen monimutkaista tekniikkaa. Uraanimalmin osuus energiakustannuksista on pieni verrattuna fossiilisiin polttoaineisiin: ydinenergia on itse erikoistuneen teollisen toiminnan lähde.
Kiina kehittää yhteistyössä Yhdysvaltojen kanssa myös sulasuola-ydinreaktoriteknologian kehittämistä , jonka kustannukset olisivat vertailun vuoksi alhaisemmat kuin hiilen.
Intia ja Kiina ovat maita, joissa ydinvoima kehittyy eniten vuonna 2019, mutta Yhdysvalloilla on edelleen suurin ydinlaivasto maailmassa. Kuitenkin vain yksi ydinreaktori on ollut siellä käytössä 30 vuoden ajan (Watts Bar 2, Tennessee , 1200 MW liitetty verkkoon vuonna 2016), kun taas kahdeksan yksikköä suljettiin vuosina 2013--2019 (viimeinen oli Pilgrim 1, Massachusettsissa) , myöhässäToukokuu 2019); ja ilmoitetaan vain kahdesta hankkeesta: Georgian Vogtle-tehtaan yksiköt 3 ja 4, jotka tulisi varustaa kolmannen sukupolven AP100- tyyppisillä reaktoreilla vuosina 2021 ja 2022. Ensimmäinen näistä uusista reaktoreista on käynnistetty VC Summer -paikoilla Georgiassa ja Vogtle Etelä-Carolinassa, molemmissa kaksi AP1000-reaktoria , muttaheinäkuu 2017VC Summer -projekti hylättiin ( Virgil Summer -ydinvoimala ). Lisäksi näillä kahdella käynnissä olevalla projektilla oli teknisiä ongelmia, viivästyksiä ja ylityksiä sekä budjetti (vuonna 2019 mainittu 27 miljardia dollaria), kuten Euroopan EPR : n hankkeet Flamanvillessä Ranskassa ja Olkiluodossa Suomessa.
Samanaikaisesti " liuskekaasupuomi " on hydraulisen murtamistekniikan takia aiheuttanut kaasun ja energian hintojen laskun kannustamalla yhdistettyjen syklien kaasuvoimaloiden lisääntymistä . Neljä ydinvoimalaa suljettu 2013 kilpailukyvyn puutetta ja viidesosa lopussa 2014 kuitenkin, kaasun hinta tulisi lisätä keskipitkällä tai pitkällä aikavälillä, mikä ydin- kilpailukykyä, varsinkin jos CO 2 päästönormeistavakavampia. Samaan aikaan myös aurinko- ja tuulienergian kustannukset ovat laskeneet paljon. Sisäänmaaliskuu 2017, johtava ydinreaktorien valmistaja, jolla on yli 50% maailman reaktoreista, Westinghouse , on julistettu konkurssiin. Sijoittajat ovat viime aikoina osoittaneet suurta kiinnostusta modulaarisiin sulasuolareaktoreihin ( MSR ), jotka voivat korvata kivihiiltä käyttävät voimalaitokset ilmansaastemääräysten takia suljettujen tilojen vuoksi . mutta useat tätä konseptia kehittävät yritykset ovat vähentäneet ohjelmiaan lyhytaikaisen käyttöönottonäkymän puuttuessa.
Kansainvälinen energiajärjestö (EIA) arvioi vuonna 2019, että ydinvoima Yhdysvalloissa saattaa pudota 17% vuonna 2025 vuoden 2018 tasoon verrattuna.Tappion kompensoi "suurelta osin (tuotannon kasvu) uusi maakaasu , tuuli- ja aurinkovoimalat ” . Sisäänelokuu 2019, Trumpin hallinto perustaa ydinteollisuuden tueksi National Reactor Innovation Center (NRIC) -keskuksen, joka on omistettu "edistyneiden reaktorien käyttöönotolle" yksityisellä sektorilla avaamalla amerikkalaisia julkisia laboratorioita uusien järjestelmien validointiin ja nopeuttaa näiden reaktorien, pienten modulaaristen reaktoreiden ( pienet moduulireaktorit , SMR) ja muiden mikroreaktorien lisensointia ja markkinointia . Trumpin hallinto on myös toteuttanut lainsäädännöllisiä toimenpiteitä uusien ydinratkaisujen kokeilun jarruttamiseksi.
Riskiä ja kustannuksia ei arvioida samalla tavoin ydinvoimaa kannattavat ja ydinvoiman vastaiset , sillä ne ovat myös eri mieltä siviili- ja sotilaallisten ydinsovellusten, erityisesti ydinvoiman tuotannon, hyödyllisyydestä ja siviilien ydinvoiman asteittaisesta lopettamisesta. teho .
Ydinenergian siviilikäyttö on kiistanalaista:
Ydinenergian siviilikäytön kannattajat esittävät muita väitteitä:
Puheenjohtaja IPCC , Hoesung Lee , yksityiskohtainen IAEA konferenssissalokakuu 2019, vuonna 2018 julkaistun SR1.5-erityiskertomuksen johtopäätökset. Saatavilla olevan 21 mallin perusteella IPCC tutki 89 liikerataa, joiden avulla oli mahdollista hillitä maapallon lämpötilan nousu 1,5 ° C: seen vuoteen 2100 mennessä. Nämä liikeradat osoittavat merkittävää energiatehokkuuden osalta sekä sähkön osuuden kaksinkertaistaminen kokonaisenergiassa (19 prosentista vuonna 2020 mediaaniarvona 43 prosenttiin vuonna 2050). Ydinvoima myötävaikuttaa pyrkimyksiin sähkön hiilidioksidipäästöistä poistamiseksi valtaosassa 89 liikeradasta. IPCC: n puheenjohtajan mielestä ydinvoiman on vastattava kahteen päähaasteeseen: kilpailukyky muihin ei-fossiileihin tekniikoihin verrattuna ja sen käyttöönoton nopeuttaminen; hän päättelee: "Toivotan teille menestystä vastaamisessa näihin haasteisiin, koska ilmasto tarvitsee kaiken mahdollisen avun!" " . Pääjohtaja on Kansainvälisen energiajärjestön , Fatih Birol sanoi: ”Meidän täytyy katsoa kaikkia puhdasta teknologiaa. Aurinko ja tuuli ovat tärkeitä. Mutta mielestämme ydin ja CCS ovat myös tärkeitä. Meillä ei voi olla ylellisyyttä valita haluamaamme tekniikkaa .
Mukaan muistion Ranskan kansainvälisten suhteiden (IFRI), ”viiveitä ja lisäkustannuksia Länsi hankkeiden siviilikäyttöön ydinvoimaa vakiinnuttavat venäläis-kiinalainen duopoli viennistä kolmannen ja neljännen sukupolven reaktoreiden. Tässä yhteydessä pienet moduulireaktorit ( pienet moduulireaktorit , pienet moduulireaktorit ) ovat herättäneet kiinnostusta ja kehittäneet monet toimijat, pääasiassa venäläisistä ja kiinalaisista valtionyrityksistä useissa Pohjois-Amerikan aloittavissa yrityksissä . " Tässä muistiossa katsotaan, että suurten EPR: ien aikakausi on ohi ja pieniä integroidulla ja standardoidulla tekniikalla varustettuja reaktoreita voitaisiin valmistaa tehtaalla modulaarisesti vähentäen kustannuksia ja rakennusaikaa. Nämä pienet reaktorit voivat houkutella nousevia maita.