Kullanım bağlama göre, terim nükleer enerji tüm bağlantılı birkaç anlamı kapsar fiziği ve reaksiyonların ait atom çekirdekleri .
Radyoaktivite a, fiziksel bir fenomen belirli türde olması ile kendini gösteren, doğal atom çekirdeklerinin , kararsız bir şeklini dağılımı olabilir enerji başlangıç ağırlık parçası bilinmektedir (formül göre işlenir E = mc 2 arasında Einstein ) ve kendiliğinden parçalanarak daha kararlı atom çekirdeklerine doğru evrimleşirler .
Bir radyoaktif cisim doğal olarak bu enerjiyi iyonlaştırıcı radyasyon ve ısı akışı şeklinde yayar . Bu ısı, reaktördeki nükleer yakıt için özellikle yoğundur ; kullanılmış yakıtın reaktörün yakınındaki kullanılmış yakıt havuzunda depolanmasının nedeni budur . Bu, Dünya'nın kıtasal kabuğunun ısısının bir kısmının kaynağında bulunan aynı fenomendir .
Bir nükleer reaksiyon , bir çekirdeğin başka bir parçacıkla ( temel parçacık , aynı zamanda atom çekirdeği veya gama radyasyonu ) etkileşime girdiği ve nükleer yeniden düzenlemeye uğradığı bir etkileşimdir .
Bu reaksiyonlar, daha kararlı konfigürasyonlara yol açtıklarından daha kolaydır. Enerji farkı ( kütle kusuruna karşılık gelir ), daha sonra reaksiyon tarafından salınan enerjiyi oluşturur. Kütlenin enerjiye bu dönüşümü (ünlü formül E = mc 2'ye göre ) nükleer fisyon ve füzyon reaksiyonlarında kullanılır .
Bir nötron , belirli ağır izotopların çekirdeğine çarptığında, etkilenen çekirdeğin iki daha hafif çekirdeğe ayrılma olasılığı vardır. Nükleer fisyon olarak adlandırılan bu reaksiyon, çok önemli bir enerji salınımı ile sonuçlanır ( kimyasal reaksiyonların enerjileriyle karşılaştırıldığında, olay başına 200 MeV mertebesinde, eV mertebesinde ).
Bu fisyona, belirli koşullar altında diğer çekirdeklerle çarpışan ve böylece zincirleme reaksiyona neden olan birkaç nötron emisyonu eşlik eder . Bir nükleer reaktörde bu zincirleme reaksiyon, kararlı koşullar altında, yavaş ve kontrollü bir hızda gerçekleşir. Maddenin aniden kararlılık aralığından çok uzağa yerleştirildiği bir bombada, reaksiyon o kadar hızlı çoğalır ki, patlayıcı bir reaksiyona yol açar.
Fisyon sırasında yayılan enerjinin önemi , ilk çekirdeğin nükleon başına bağlanma enerjisinin üretilen çekirdeklerinkinden daha düşük olması gerçeğinden kaynaklanmaktadır ( ağır elementler için nükleon başına yaklaşık 7.7 MeV , demir için 8, 8'e karşı). Enerjinin çoğu nötronların ve yavru çekirdeklerin kinetik enerjisi şeklinde bulunur , enerji reaktörlerde ısı şeklinde geri kazanılır . CEA'ya göre , bir nükleer reaktörde 1 kg doğal uranyum tarafından üretilen enerji, 10 ton petrol eşdeğerinin (toe) enerjisine eşittir . Yerçekimi dalgalarının son gözlemlerine göre, bu bağlanma enerjisi , yerçekimi enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesinden, daha sonra iki yıldızın nötronlarda birleşmesi sırasında r işlemi ile ağır elementlerin oluşumu sırasında bağlanma enerjisine ( kilonova olarak da adlandırılan bir fenomen) gelir. ).
Füzyon ikisi bir reaksiyon olduğu atom çekirdeklerinin daha ağır bir çekirdek oluşturmak üzere birleştirilir; örneğin, bir döteryum çekirdeği ve bir trityum çekirdeği birleşerek bir helyum çekirdeği artı bir nötron oluşturur. Işık çekirdeklerin füzyon önemli bir miktarda serbest enerji gelen güçlü bir etkileşim , çok daha büyük elektrostatik itme hafif çekirdek bileşenleri arasında. Bu, bir kütle kusuru ile sonuçlanır ( bağlanma enerjisi ve E = mc 2 'ye bakınız ), ortaya çıkan çekirdek, orijinal çekirdeklerin kütlelerinin toplamından daha az bir kütleye sahiptir.
Bu reaksiyon, yalnızca malzemenin plazma halinde olduğu çok yüksek sıcaklıklarda (birkaç on milyonlarca derece) gerçekleşir . Bu koşullar, yıldızların içinde, termonükleer patlamayı ( H bombası ) başlatan bir nükleer fisyon bombasının patlaması sırasında veya deneysel nükleer reaktörlerde karşılanır .
2021'de hiçbir kurulum nükleer füzyon reaksiyonlarını kontrol ederek net bir enerji üretimine izin vermeyecek. Üretilen füzyon enerjisinin parçacıkların ısıtılması için harcanan enerjiden daha büyük olması için yeterli bir süre boyunca bir plazma elde etmek için araştırmalar devam etmektedir. Özellikle uluslararası ITER projesi , bu enerjinin sivil kullanımını geliştirmek için araştırmacıları bir araya getiriyor. Bu reaktörün montajı başladıtemmuz 2020içinde Saint-Paul-les-Durance Fransa'da ve ilk testlerde 2025 yılında gerçekleşmelidir.
Nükleer enerji, Einstein'ın kütle enerjisi formülü (burada bir protonunki) tarafından verilen kütle enerjisinin yaklaşık %1'idir:
.Öyle bir protondan bir nötron ayırmak için gereken enerji . Bu aynı zamanda bağlanma enerjisi çekirdeğinin bir hidrojen atomu .
Daha az bilinen ve Bohr'un hidrojen atomu teorisinden türetilen Rydberg sabiti tarafından verilen kimyasal enerjinin milyon katı kadardır :
.Nükleer enerji genellikle varsayımsal bir etkileşime, güçlü kuvvete atfedilir . Hidrojen izotoplarının çekirdeklerinin kohezyon kuvveti üzerine geliştirilen bir teori, bunun öncekilere benzer bir formülle ve ara değerde ifade edilebileceğini gösterir:
Bu nötron proton ayırma enerjisi büyüklük sırası yakın bağlama enerjisinden için 2 H döteryum , 2.2 MeV veya 1.1 MeV nükleonun başına. Aynı zamanda helyum 4, 4 He olan parçacığın yarısıdır . Demir Fe ve nikel Ni çekirdekleri, 9 MeV'den biraz daha az olan en büyük nükleer bağlanma enerjisine sahip kimyasal elementlerdir .
Nükleer ve kimyasal enerjilerin formüllerini bilerek, oranlarının büyüklük sırasını çıkarıyoruz:
Nükleer enerji uygulamaları temel olarak iki alanı ilgilendirmektedir:
Diğer bir uygulama, endüstride ( örneğin kaynak radyografisi ) ve tıpta ( nükleer tıp ve radyoterapi ) kullanılan radyoaktif izotopların üretimidir . Diğer kullanımlar hayali ve hatta böyle bir tedarik ısı üretimi gibi denenmiştir ısıtma ağı , deniz suyu arıtma deniz suyu ya da hidrojen üretimi .
Bu uygulamalar nükleer reaktörleri ( düşük güç, deneysel kullanım ve radyoizotop üretimi söz konusu olduğunda atomik hücreler olarak da adlandırılır ) kullanır. Nükleer fisyon reaksiyonları çekirdekte başlatılır, ortalanır ve kontrol edilir, yani yakıt ve kontrol çubuklarının birleşimi, ondan ısı çeken bir soğutucu tarafından çaprazlanır . Bu ısı daha sonra türbinler (buhar jeneratörleri) aracılığıyla elektrik enerjisine (veya deniz sevki için hareket enerjisine ) dönüştürülür.
nükleer merkez441 reaktör çalışıyor 4 Temmuz 2020toplam 390.220 kurulu gücü MW , hangi 97.154 arasında MW ABD, 62250 yılında (24,9%) MW Fransa, 45518 yılında (% 16) MW Çin, 31679 yılında (% 11,7) MW Japonya'da (8.1%) (33 reaktörler hangi sadece 9 yeniden başlatma için izin almış olan), 28437 MW Rusya'da (% 7.3) ve 23.172 MW Güney Kore (% 5,9).
19 ülkede yapımı devam eden 54 reaktörün toplam kapasitesi 57.441 MW olup, bunun 10.564 MW'ı (%18.4) Çin'de, 5.380 MW'ı (%9.4) Birleşik Arap Emirlikleri'nde, 4.824 MW'ı ( % 8.4) Hindistan'da, Rusya'da 4,525 MW (%7,9 ) ve Birleşik Krallık'ta 3,260 MW (%5,7).
Nükleer santrallerden elektrik üretimi 2006 yılında 2.661 TWh ile zirveye ulaştı ; Fukushima nükleer kazasının ardından 2012'de 2.346 TWh'ye düştükten sonra , 2019'da kademeli olarak 2.586 TWh'ye yükseldi .
Nükleer enerjinin dünya elektrik üretimindeki payı 1973'te %3.3 iken 2017'de %10,3'tü. Nükleer elektrik üreten başlıca ülkeler ABD (dünya toplamının %31,8'i), Fransa (%15,1), Çin (%9,4)'tür. , Rusya (%7.7) ve Güney Kore (%5.6).
Fukushima nükleer kazasının ardından , nükleer enerji üretimi 2011'de 2.518 TWh veya küresel elektrik üretiminin %13.5'inden 2012'de %10,8'e düştü, ardından 2015'e kadar yaklaşık %11'de kaldı.
2019 yılında nükleer enerjide en yüksek paya sahip ülke Fransa (%70,6) olurken, onu Slovakya (%53,9), Ukrayna (%53,9), Macaristan (%49,2) ve Belçika (%47,6) izliyor . Çin'deki bu üretim, 2000'lerin ortalarından bu yana hızla büyüyerek 2019'da 330 TWh'ye veya ülkenin elektrik üretiminin % 4,9'una ulaştı . En büyük üreticiler Amerika Birleşik Devletleri (809 TWh ), Fransa (382 TWh ), Çin, Rusya (195.5 TWh ) ve Güney Kore'dir (139 TWh ).
28 Kasım 2018Avrupa Komisyonu , enerji tüketiminin karbondan arındırılmasına , verimli enerjiyi iyileştirmeye yönelik önlemleri birleştirerek 2050 yılına kadar emisyonları %90 oranında azaltmaya, nihai enerji tüketiminde elektriğin payını artırmaya odaklanan uzun vadeli bir enerji stratejisi (2050) öneren bir tebliğ yayınlıyor (53 2017'de %20'ye karşı 2050'de %); yenilenebilir enerjilerin (2050'de %80'i) yanında nükleer enerjinin artan kullanımını (2050'de elektrik üretiminin %15'i) sağlar.
Üçüncü nesil AP1000 tipi reaktör devreye alındıhaziran 2018, Sanmen nükleer santralinde ( Zhejiang , Çin).
Nükleer enerjili gemiler bir veya daha fazla nükleer reaktör kullanır. Üretilen ısı, aşağıdakileri harekete geçiren su buharı üretmek için kullanılan bir ısı transfer sıvısına aktarılır:
Dünyada, ezici bir çoğunlukla askeri, çoğunlukla denizaltılar , aynı zamanda uçak gemileri ve kruvazörler ve çoğunlukla buzkıranlardan oluşan birkaç sivil gemi olmak üzere yaklaşık 400 nükleer enerjili gemi var . Of kargo Nükleer da 1960 ve 1970'lerde (Amerikan yaşandı NS Savannah , Alman Otto Hahn ve Japon Mutsu ), fakat kullanımları karlı olmadığı görülmüştür ve bu deneyler kullanımdan kaldırıldı.
Nükleer tahrikin yatırım ve işletme maliyetleri önemlidir, bu da onu sivil kullanım için nadiren çekici kılar. Sadece askeri kullanım için ve özellikle denizaltılar için gerçekten ilgi çekicidir. Bu enerji şunları getirir:
Bu nedenle nükleer tahrik, denizaltılara, karşılaştırma yaparak, geleneksel denizaltıları basit denizaltılar olarak nitelendirebileceğimiz noktaya kadar belirleyici bir avantaj sağlar.
Uzay tahrikiVoyager I ve II sondaları , elektronik sistemlerine güç sağlamak için zaten nükleer jeneratörler taşıdı . Öte yandan, mümkünse nükleer tahrik hala değerlendiriliyor. Mevcut uzay aracı -güneş enerjisi ve iyonik motorlar kullananlar hariç- sadece tek bir ilk itme ya da bazı yörünge ayarlamaları üretebilirken , düşük olduğu kabul edilen ancak tüm yolculuk boyunca sabit olan bir itme üretme avantajına sahip olacaktır . tanklarının kapasitesi. Bu nedenle balistik olarak adlandırılırlar ve bunun için de başlangıçtan itibaren serbest bırakma hızına ulaşmaları gerekir . Uzun yolculuklarda, örneğin gezegenler arası, bu sürekli hızlanma, şu anda kullanılan ilk hızlanmadan küresel olarak daha verimli olabilir.
ABD hükümeti, bir sıvıyı, genellikle sıvı hidrojeni çok yüksek bir sıcaklığa ısıtan bir nükleer reaktörle çalışan bir roket tasarlaması için NASA'ya 125 milyon dolar verdi; bu sıvı, motorun arkasındaki bir kanal vasıtasıyla dışarı atılır, böylece roketin itilmesine izin veren bir itme yaratır.Bu teknoloji seyahat sürelerini önemli ölçüde azaltabilir. Amerikan uzay ajansı, 2024'teki ay görevinden ve özellikle 2033'teki Mars hedefi için gelecekteki nükleer motoru kullanabilmeyi umuyor.
Nükleer enerjinin gücü bu durumda patlayıcı olarak kullanılır. Nükleer bombaların yaydığı toplam enerjinin ölçeği, kilotondan megaton TNT eşdeğerine kadar değişir . Bir nükleer patlamanın enerjisi esas olarak patlama etkisi (şok dalgası), termal etki, elektromanyetik darbe etkisi ve radyasyonda dağıtılır.
silah türleriNükleer silahların iki türlüdür:
Nötron bombası nötron şeklinde yayılan enerjinin payını maksimize etmek tasarlanmış bir termonükleer bomba bir çeşididir; minimum maddi hasara neden olurken hedefin yakınındaki daha büyük yaşam formlarını yok etmesi gerekiyor.
TarihBir nükleer silahın (" A bombası ") ilk askeri kullanımı 1945'te , 6 ve9 Ağustos, İki bombalar Japon şehirler arasında Hiroşima ve Nagazaki'ye tarafından Amerikan ordusuna sırayla, bir son vermek için İkinci Dünya Savaşı . O zamandan beri, bu tür silahlar yalnızca deneysel nükleer testlerin (atmosferik sonra yeraltı) ve ardından bilgisayar modellemesinin konusu olmuştur. Atom bombası kaynağı olan doktrin ait caydırma veya terör dengesi sırasında geliştirilen Soğuk Savaş .
iş doktriniÇoğu nükleer gücün istihdam doktrininde şunları ayırt ederiz:
Fransız doktrini, nükleer silahların taktik amaçlarla kullanılmasını hiçbir zaman dikkate almadı. Nispeten düşük güce sahip silahlar ( Pluto sonra Hades füzeleri , şimdi geri çekildi, ASMP seyir füzeleri ) ön-stratejik olarak tanımlanır ; Bu anlayışta, bu silahlar, yalnızca tesadüfen karadaki askeri bir hedefe hizmet eder, bunların ana etkisi, düşman liderlerini Fransa'nın hayati çıkarlarının bundan böyle tehlikede olduğu konusunda uyarmak için siyasi nitelikte bir "nihai uyarı"dır. ve bir sonraki misilleme seviyesinin termo-nükleer olacağını.
İkinci Dünya Savaşı sırasında , atom silahlarının üretimi nükleer endüstrinin ana varlık nedeniydi.
1970'li yıllardan itibaren bu sektör de enerji üretimi için çalışmaktadır.
Nükleer enerji üretimi, titiz ve sürekli kontrol gerektiren yüksek teknolojili bir faaliyettir.
Bu kontrol hem ulusal güvenlik otoriteleri ( Fransız nükleer güvenlik otoritesi ) hem de uluslararası ( IAEA veya Avrupa'daki Euratom gibi) tarafından gerçekleştirilir.
Diğer enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında, sivil nükleer enerji çok büyük başlangıç yatırımları gerektirir, ancak üretilen kilovat saat başına daha düşük işletme maliyetinden yararlanır, bu da düşük bir iç getiri oranına yol açar : nükleer sektöre yapılan yatırım ancak şu çerçeve içinde tasarlanabilir: çok uzun vadeli bir politika. Bu sömürü on yıllara varan süreler boyunca devam eder. Nükleer enerjinin maliyeti, ilk yatırımın amorti edildiği süreye güçlü bir şekilde bağlıdır ve operasyonlarının olası uzantısı çok önemli bir ekonomik pay teşkil etmektedir. Kârlılık, önerilen teknik çözümlere (elektrik santrali türü, yakıt vb.) bağlı olarak da büyük ölçüde değişir.
Nükleer yakıtın maliyeti esas olarak uranyum zenginleştirme ve nispeten karmaşık teknoloji gerektiren yakıt elemanlarının imalatından kaynaklanmaktadır. Uranyum cevherinin enerji maliyetindeki payı, fosil yakıtlarınkiyle karşılaştırıldığında düşüktür: nükleer enerjinin kendisi, uzmanlaşmış endüstriyel faaliyetlerin kaynağıdır.
Çin ayrıca, ABD ile ortaklaşa , maliyeti kömürden daha düşük olacak bir erimiş tuz nükleer reaktör teknolojisinin geliştirilmesi üzerinde çalışıyor .
Hindistan ve Çin, 2019'da nükleerin en çok geliştiği ülkeler, ancak ABD hala dünyanın en büyük nükleer filosuna sahip. Bununla birlikte, orada 30 yıldır yalnızca bir nükleer reaktör hizmet veriyor ( Tennessee'de Watts Bar 2, 2016'da şebekeye 1.200 MW bağlandı) ve 2013'ten 2019'a kadar sekiz ünite kapatıldı (sonuncusu Massachusetts'te Pilgrim 1 idi) , geçMayıs 2019); ve sadece iki proje açıklandı: 2021 ve 2022'de üçüncü nesil AP100 tipi reaktörlerle donatılması gereken Gürcistan'daki Vogtle tesisinin 3. ve 4. üniteleri . Bu yeni reaktörlerin ilki Gürcistan'daki VC Summer sahalarında ve Güney Carolina'da Vogtle, her biri iki AP1000 reaktöre sahip , ancaktemmuz 2017VC Summer projesi terk edildi ( Virgil Summer nükleer santral ). Buna ek olarak, bu iki devam eden projeler olanlar gibi teknik sorunlar, gecikmeler ve aşımını ve bütçesi (2019 bahsedilen $ 27 milyar) uğradığı Avrupa EPR Fransa'da Flamanville ve Finlandiya'da Olkiluoto'daki.
Aynı zamanda, hidrolik kırma teknolojisinin neden olduğu “ kaya gazı patlaması ” , gaz ve enerji fiyatlarının düşmesine neden olarak, kombine çevrim gaz santrallerinin çoğalmasını teşvik etti . 2013'te dört nükleer reaktör rekabet gücü olmadığı için kapandı ve beşinci reaktör 2014'ün sonunda kapandı. Bununla birlikte, orta veya uzun vadede gazın fiyatı artmalı, bu da nükleeri daha rekabetçi hale getirmeli, özellikle CO 2 emisyon standartları varsadaha şiddetli kurulur. Aynı zamanda güneş ve rüzgar enerjisinin maliyeti de çok düştü. İçindeMart 2017Dünyadaki reaktörlerin %50'sinden fazlasını donatan lider nükleer reaktör üreticisi Westinghouse'un iflas ettiği açıklandı. Yatırımcılar son zamanlarda hava kirliliği yönetmelikleri nedeniyle kapatılacak kömürle çalışan elektrik santrallerinin yerini alabilecek Modüler Erimiş Tuz Reaktörlerine ( MSR'ler ) büyük ilgi gösterdiler ; ancak bu konsepti geliştiren birkaç şirket, kısa vadeli dağıtım beklentilerinin olmaması nedeniyle programlarını azalttı.
2019'da Uluslararası Enerji Ajansı (EIA), Amerika Birleşik Devletleri'ndeki nükleer elektriğin 2025'te 2018 seviyesine kıyasla %17 düşebileceğini tahmin ediyor, bu kayıp "büyük ölçüde (üretimdeki artış) yeni doğal gazla dengelenecek" , rüzgar ve güneş enerjisi santralleri ” . İçindeağustos 2019Trump yönetimi, nükleer endüstriyi desteklemek için, yeni sistemleri doğrulamak ve yeni sistemleri doğrulamak için Amerikan kamu laboratuvarlarını açarak özel sektörde “gelişmiş reaktörlerin konuşlandırılmasına” adanmış bir merkez olan Ulusal Reaktör İnovasyon Merkezi'ni (NRIC) oluşturuyor. bu reaktörlerin, küçük modüler reaktörlerin ( küçük modüler reaktörler , SMR) ve diğer mikro reaktörlerin ruhsatlandırılmasını ve pazarlanmasını hızlandırmak . Trump yönetimi, yeni nükleer çözümlerle yapılan deneylerde frenleri kaldırmak için yasal önlemler de aldı.
Riskler ve maliyetler, özellikle nükleer enerji üretimi olmak üzere sivil ve askeri nükleer uygulamaların yararlılığı ve sivil nükleerin aşamalı olarak kaldırılmasının tavsiye edilebilirliği konusunda da bölünmüş olan nükleer yanlısı ve nükleer karşıtı tarafından aynı şekilde değerlendirilmemektedir . güç .
Nükleer enerjinin sivil uygulamaları şu sebeplerden dolayı tartışmalıdır:
Nükleer enerjinin sivil uygulamalarının savunucuları başka argümanlar ileri sürüyorlar:
Başkanı IPCC , Hoesung Lee UAEK toplantısında ayrıntılı,ekim 2019, 2018'de yayınlanan SR1.5 özel raporunun sonuçları. Mevcut 21 model temelinde, IPCC 89 yörünge üzerinde çalışarak küresel sıcaklığın 2100 yılına kadar 1,5 ° C'ye yükselmesini kontrol altına almayı mümkün kıldı. Bu yörüngeler önemli bir elektriğin toplam enerji içindeki payının iki katına çıkarılması (ortalama değerde 2020'de %19'dan 2050'de %43'e). Nükleer enerji , 89 yörüngenin büyük çoğunluğunda elektriği karbondan arındırma çabalarına katkıda bulunuyor . IPCC Başkanı için nükleer enerjinin iki ana zorluğu karşılaması gerekiyor: diğer fosil olmayan teknolojilere kıyasla rekabet gücü ve yayılma hızını hızlandırmak; şu sonuca varıyor: "Bu zorlukların üstesinden gelmenizde size başarılar diliyorum çünkü iklimin alabileceği tüm yardıma ihtiyacı var!" " . Genel Müdürü Uluslararası Enerji Ajansı , Fatih Birol şunları söyledi: “Hepimiz temiz teknolojilere bakmak gerekir. Güneş ve rüzgar önemlidir. Ancak nükleer ve CCS'nin de önemli olduğunu düşünüyoruz . Tercih ettiğimiz teknolojiyi seçme lüksümüz yok” dedi .
Fransız Uluslararası İlişkiler Enstitüsü'nün (IFRI) bir notuna göre , “Sivil nükleer enerji alanındaki Batı projelerinin gecikmeleri ve ek maliyetleri, üçüncü ve dördüncü nesil reaktörlerin ihracatında Rus-Çin ikilisini pekiştiriyor. Bu bağlamda, küçük modüler reaktörler ( küçük modüler reaktörler , SMR'ler) ilgiyi yeniledi ve çok sayıda Kuzey Amerika start-up'ında başta Rus ve Çin devlete ait işletmelerden olmak üzere birçok aktör tarafından geliştirildi . Bu not, büyük EPR'lerin döneminin sona erdiğini ve entegre ve standartlaştırılmış mühendisliğe sahip küçük reaktörlerin fabrikada modüler bir şekilde üretilebileceğini, maliyetleri ve inşaat süresini azaltabileceğini düşünüyor. Bu küçük reaktörler gelişmekte olan ülkelere hitap edebilir.