Dependiendo del contexto de uso, el término energía nuclear cubre varios significados, todos relacionados con la física y las reacciones de los núcleos atómicos .
La radiactividad es un fenómeno físico natural, manifestado por el hecho de que ciertos tipos de núcleos atómicos , inestables, pueden disipar la forma de una parte energética de su peso inicial (procesada según la conocida fórmula E = mc 2 de Albert Einstein ) y de forma espontánea evolucionar hacia núcleos atómicos más estables, por desintegración .
Un cuerpo radiactivo emite naturalmente esta energía en forma de flujo de radiación ionizante y calor . Este calor es particularmente intenso para el combustible nuclear en el reactor; esta es la razón por la que el combustible gastado se almacena en una piscina de combustible gastado cerca del reactor. Es el mismo fenómeno que está en el origen de parte del calor de la corteza continental de la Tierra .
Una reacción nuclear es una interacción en la que un núcleo interactúa con otra partícula ( partícula elemental , pero también núcleo atómico o radiación gamma ) y sufre un reordenamiento nuclear.
Estas reacciones son tanto más fáciles como conducen a configuraciones más estables. La diferencia de energía (correspondiente al defecto de masa ) constituye entonces la energía liberada por la reacción. Esta transformación de masa en energía (según la famosa fórmula E = mc 2 ) se utiliza en reacciones de fusión y fisión nuclear.
Cuando un neutrón golpea el núcleo de ciertos isótopos pesados, existe la probabilidad de que el núcleo impactado se divida en dos núcleos más ligeros. Esta reacción, que se denomina fisión nuclear , produce una liberación de energía muy significativa (del orden de 200 MeV por evento, en comparación con las energías de las reacciones químicas , del orden de eV ).
Esta fisión va acompañada de la emisión de varios neutrones que, en determinadas condiciones, chocan con otros núcleos y provocan una reacción en cadena . En un reactor nuclear, esta reacción en cadena tiene lugar en condiciones estables, a un ritmo lento y controlado. En una bomba, donde la materia se coloca repentinamente muy lejos de su rango de estabilidad, la reacción se multiplica tan rápidamente que conduce a una reacción explosiva.
La importancia de la energía emitida durante la fisión proviene del hecho de que la energía de unión por nucleón del núcleo inicial es menor que la de los núcleos producidos (aproximadamente 7,7 MeV por nucleón para elementos pesados, frente a 8, 8 para el hierro). La mayor parte de la energía se encuentra en forma de energía cinética de neutrones y núcleos hijos, energía recuperada en forma de calor en los reactores. Según la CEA, la energía producida por 1 kg de uranio natural en un reactor nuclear es igual a la energía de 10 toneladas equivalentes de petróleo (tep). Según observaciones recientes de ondas gravitacionales, esta energía de enlace proviene de la conversión de energía gravitacional en energía cinética, luego en energía de enlace durante la formación de elementos pesados por el proceso r durante la coalescencia de dos estrellas en neutrones (un fenómeno también llamado kilonova ).
La fusión es una reacción en la que dos núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más pesado; por ejemplo, un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio se unen para formar un núcleo de helio más un neutrón. La fusión de núcleos ligeros libera una cantidad considerable de energía de la interacción fuerte , mucho mayor que la repulsión electrostática entre los componentes de los núcleos ligeros. Esto da como resultado un defecto de masa (ver energía de enlace y E = mc 2 ), el núcleo resultante tiene una masa menor que la suma de las masas de los núcleos originales.
Esta reacción solo tiene lugar a temperaturas muy altas (varias decenas de millones de grados) donde el material se encuentra en estado de plasma . Estas condiciones se cumplen dentro de las estrellas, durante la explosión de una bomba de fisión nuclear que inicia así la explosión termonuclear ( bomba H ), o en reactores nucleares experimentales .
En 2021, ninguna instalación permitirá una producción neta de energía controlando las reacciones de fusión nuclear. Se está investigando para obtener un plasma de una duración suficiente, de modo que la energía de fusión producida sea mayor que la invertida en calentar las partículas. En particular, el proyecto internacional ITER reúne a investigadores para desarrollar el uso civil de esta energía. El montaje de este reactor se inició eljulio 2020en Saint-Paul-lès-Durance en Francia y sus primeras pruebas deberían tener lugar en 2025.
La energía nuclear es aproximadamente el 1% de la energía de la masa dada por la fórmula de Einstein para la energía de la masa (aquí la de un protón):
.Es la energía necesaria para separar un neutrón de un protón . También es la energía de enlace de la núcleo del átomo de hidrógeno .
Es del orden de un millón de veces la de la energía química, que es menos conocida y está dada por la constante de Rydberg resultante de la teoría del átomo de hidrógeno de Bohr :
.La energía nuclear se atribuye generalmente a una interacción hipotética, la fuerza fuerte . Una teoría desarrollada sobre la fuerza de cohesión de los núcleos de isótopos de hidrógeno indica que puede expresarse mediante una fórmula similar a las anteriores y de valor intermedio:
El orden de magnitud de esta energía de separación neutrón-protón está cerca de la energía de enlace del deuterio 2 H, 2,2 MeV o 1,1 MeV por nucleón. Es la mitad de la partícula que también es helio 4, 4 He. Los núcleos de hierro Fe y níquel Ni son los elementos químicos que tienen la mayor energía de enlace nuclear, algo menos de 9 MeV .
Conociendo las fórmulas de las energías nuclear y química, deducimos el orden de magnitud de su relación:
Las aplicaciones de la energía nuclear se refieren principalmente a dos áreas:
Otra aplicación es la producción de isótopos radiactivos utilizados en la industria ( radiografía de soldadura, por ejemplo) y en medicina ( medicina nuclear y radioterapia ). Se han imaginado, e incluso experimentado, otros usos como la producción de calor para abastecer una red de calefacción , la desalación de agua de mar o la producción de hidrógeno .
Estas aplicaciones utilizan reactores nucleares (también llamados células atómicas , cuando se trata de baja potencia, uso experimental y producción de radioisótopos). Las reacciones de fisión nuclear se inician, moderan y controlan en el núcleo, es decir, el ensamblaje del combustible y las barras de control atravesadas por un refrigerante que extrae calor del mismo. Este calor luego se convierte en energía eléctrica (o en energía motriz para la propulsión naval) a través de turbinas (generadores de vapor).
Centrales nuclearesLos 441 reactores en funcionamiento en 4 de julio de 2020capacidad instalada total de 390.220 MW , de los cuales 97.154 MW (24,9%) en Estados Unidos, 62.250 MW (16%) en Francia, 45.518 MW (11,7%) en China, 31.679 MW (8,1%) en Japón (33 reactores de que solo 9 han sido autorizados a reiniciar), 28.437 MW (7,3%) en Rusia y 23.172 MW (5,9%) en Corea del Sur.
Los 54 reactores en construcción en 19 países tienen una capacidad total de 57.441 MW , de los cuales 10.564 MW (18,4%) en China, 5.380 MW (9,4%) en los Emiratos Árabes Unidos, 4.824 MW (8,4 %) %) en India, 4.525 MW (7,9%) en Rusia y 3.260 MW (5,7%) en Reino Unido.
La producción de electricidad de las centrales nucleares alcanzó un máximo de 2.661 TWh en 2006; después de caer a 2.346 TWh en 2012 tras el accidente nuclear de Fukushima , aumentó gradualmente a 2.586 TWh en 2019.
La participación de la energía nucleoeléctrica en la producción mundial de electricidad fue del 10,3% en 2017 frente al 3,3% en 1973. Los principales países productores de electricidad nuclear son los Estados Unidos (31,8% del total mundial), Francia (15,1%), China (9,4%) , Rusia (7,7%) y Corea del Sur (5,6%).
Tras el accidente nuclear de Fukushima, la generación de energía nuclear cayó de 2.518 TWh en 2011, o el 13,5% de la producción mundial de electricidad, al 10,8% en 2012, y luego se mantuvo en torno al 11% hasta 2015.
Francia es el país con la mayor proporción de energía nuclear en 2019 (70,6%), seguido de Eslovaquia (53,9%), Ucrania (53,9%), Hungría (49,2%) y Bélgica (47,6%). Esta producción en China ha crecido rápidamente desde mediados de la década de 2000, alcanzando 330 TWh en 2019, o el 4,9% de la producción de electricidad del país. Los mayores productores son Estados Unidos (809 TWh ), Francia (382 TWh ), China, Rusia (195,5 TWh ) y Corea del Sur (139 TWh ).
La 28 de noviembre de 2018, la Comisión Europea publica una comunicación proponiendo una estrategia energética a largo plazo (2050) centrada en descarbonizar el consumo energético, reduciendo las emisiones en un 90% para 2050 mediante la combinación de medidas para mejorar la eficiencia energética, aumentar la participación de la electricidad en el consumo energético final (53 % en 2050 frente al 20% en 2017); prevé un mayor uso de la energía nuclear (15% de la producción de electricidad en 2050) junto con las energías renovables (80% en 2050).
El reactor tipo AP1000 de tercera generación se puso en servicio enjunio 2018, en la central nuclear de Sanmen ( Zhejiang , China).
Los buques de propulsión nuclear utilizan uno o más reactores nucleares. El calor producido se transmite a un fluido caloportador que se utiliza para generar vapor de agua accionando:
Existen alrededor de 400 barcos de propulsión nuclear en el mundo, abrumadoramente militares, principalmente submarinos , pero también portaaviones y cruceros , y algunos barcos civiles, principalmente rompehielos . De carga nuclear también se experimentaron en las décadas de 1960 y 1970 (la estadounidense NS Savannah , la alemana Otto Hahn y la japonesa Mutsu ), pero su uso no ha demostrado ser rentable y estos experimentos han sido descontinuados.
Los costos de inversión y operación de la propulsión nuclear son significativos, lo que rara vez la hace atractiva para uso civil. Solo es realmente interesante para uso militar, y particularmente para submarinos. Esta energía trae:
Por lo tanto, la propulsión nuclear otorga a los submarinos una ventaja decisiva, hasta el punto de que, en comparación, podemos calificar a los submarinos convencionales como simples submarinos.
Propulsión espacialVoyager I y II sondas ya he llevado a generadores nucleares para impulsar su sistema electrónico. Por otro lado, la propulsión nuclear, si es posible, todavía está bajo consideración. Tendría la ventaja de producir un empuje, ciertamente bajo, pero constante durante todo el viaje, mientras que las naves espaciales actuales, excepto las que usan energía solar y motores iónicos , solo pueden producir un solo empuje inicial, o algunos ajustes de trayectoria, debido a la baja capacidad de sus tanques. Por eso se les llama balísticos , y es también por eso que deben alcanzar la velocidad de liberación desde el principio. En viajes largos, interplanetarios por ejemplo, esta aceleración continua podría ser globalmente más eficiente que la aceleración inicial utilizada actualmente.
El gobierno de los Estados Unidos le ha dado a la NASA $ 125 millones para diseñar un cohete propulsado por un reactor nuclear que calienta un fluido, generalmente hidrógeno líquido, a una temperatura muy alta; este fluido es expulsado a través de un conducto en la parte trasera del motor, creando así un empuje que permite propulsar el cohete, tecnología que podría reducir considerablemente los tiempos de viaje. La agencia espacial estadounidense espera poder utilizar el futuro motor nuclear de su misión lunar en 2024, y especialmente para el objetivo de Marte en 2033.
El poder de la energía nuclear se utiliza en este caso como explosivo. La escala de la energía total emitida por las bombas nucleares varía de un kilotonelado a un megatón de equivalente de TNT . La energía de una explosión nuclear se distribuye principalmente en el efecto de explosión (onda de choque), el efecto térmico, el efecto de impulso electromagnético y la radiación.
Tipos de armasLas armas nucleares son de dos tipos:
La bomba de neutrones es una variante de una bomba termonuclear diseñada para maximizar la parte de la energía emitida en forma de neutrones; se supone que destruye las formas de vida más grandes en las cercanías del objetivo, mientras que causa un daño mínimo a la propiedad.
HistoriaEl primer uso militar de un arma nuclear (" bomba A ") fue en 1945 , el 6 y9 de agosto, el lanzamiento de dos bombas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki por parte del ejército estadounidense , para poner fin a la Segunda Guerra Mundial . Desde entonces, este tipo de armamento solo ha sido objeto de pruebas nucleares experimentales (atmosféricas y luego subterráneas) y luego modelado por computadora. La bomba atómica fue la fuente de la doctrina de disuasión o equilibrio del terror que se desarrolló durante la Guerra Fría .
Doctrina de JobEn la doctrina del empleo de la mayoría de las potencias nucleares, distinguimos:
La doctrina francesa nunca ha considerado el uso de armas nucleares con fines tácticos. Las armas de potencia relativamente baja ( Plutón, luego misiles Hades , ahora retirados, misiles de crucero ASMP ) se definen como preestratégicas ; en esta concepción, estas armas sirven sólo de manera incidental para un objetivo militar sobre el terreno, siendo su principal efecto el de una "advertencia final", de carácter político, para advertir a los líderes enemigos de que en adelante están en juego los intereses vitales de Francia. , y que el siguiente nivel de represalias será termonuclear.
Durante la Segunda Guerra Mundial , la producción de armas atómicas fue la principal razón de ser de la industria nuclear.
Desde la década de 1970, esta industria también ha trabajado para la producción de energía.
La producción de energía nuclear es una actividad de alta tecnología que requiere un control riguroso y permanente.
Este control lo llevan a cabo tanto las autoridades de seguridad nacionales (autoridad francesa de seguridad nuclear ) como las internacionales (como el OIEA o Euratom en Europa).
En comparación con otras fuentes de energía, la energía nuclear civil requiere inversiones iniciales muy importantes, pero se beneficia de un menor costo operativo por kilovatio hora producido, lo que lleva a una baja tasa interna de retorno : la inversión en el sector nuclear solo puede concebirse en el marco de una política a muy largo plazo. Esta explotación continúa por períodos que ascienden a décadas. El coste de la energía nuclear depende en gran medida del período durante el cual se amortiza la inversión inicial , y la posible ampliación de su funcionamiento constituye un interés económico muy importante. La rentabilidad también varía mucho en función de las soluciones técnicas propuestas (tipo de central eléctrica, combustible, etc.).
El costo del combustible nuclear se debe principalmente al enriquecimiento de uranio y la fabricación de elementos combustibles, que requieren una tecnología relativamente compleja. La participación del mineral de uranio en el costo de la energía es baja en comparación con la de los combustibles fósiles: la energía nuclear es en sí misma la fuente de actividad industrial especializada.
China también está trabajando, en asociación con los Estados Unidos, en el desarrollo de una tecnología de reactor nuclear de sal fundida , cuyo costo sería menor que el del carbón a modo de comparación.
India y China son los países donde más se está desarrollando la energía nuclear en 2019, pero Estados Unidos todavía tiene la flota nuclear más grande del mundo. Sin embargo, solo un reactor nuclear ha estado en servicio allí durante 30 años (Watts Bar 2, en Tennessee , 1200 MW conectados a la red en 2016), mientras que ocho unidades se apagaron de 2013 a 2019 (la última fue Pilgrim 1, en Massachusetts). , tardeMayo de 2019); y solo se anuncian dos proyectos: las unidades 3 y 4 de la planta de Vogtle en Georgia, que deberían estar equipadas con reactores tipo AP100 de tercera generación en 2021 y 2022. El primero de estos nuevos reactores se ha puesto en marcha en los sitios VC Summer en Georgia y Vogtle en Carolina del Sur, cada uno con dos reactores AP1000 , pero enjulio 2017se abandonó el proyecto VC Summer ( central nuclear Virgil Summer ). Además, estos dos proyectos en curso sufrieron problemas técnicos, retrasos y sobrecostos y presupuesto ($ 27 mil millones mencionados en 2019) como los del EPR europeo en Flamanville en Francia, y en Olkiluoto en Finlandia.
Al mismo tiempo, el “boom del gas de esquisto ”, debido a la tecnología de fracturación hidráulica , ha provocado la caída de los precios del gas y la energía, lo que ha provocado la proliferación de centrales eléctricas de gas de ciclo combinado . Cuatro reactores nucleares cerraron en 2013 por falta de competitividad y un quinto a finales de 2014. Sin embargo, el precio del gas debería aumentar a medio o largo plazo, haciendo la nuclear más competitiva, especialmente si se cumplen las normas de emisión de CO 2se instituyen los más severos. Al mismo tiempo, el costo de la energía solar y eólica también ha bajado mucho. Enmarzo de 2017Westinghouse , el principal fabricante de reactores nucleares, que equipa más del 50% de los reactores del mundo , ha sido declarado en quiebra. Los inversores han mostrado recientemente un gran interés en los reactores modulares de sales fundidas ( MSR ), que podrían reemplazar las centrales eléctricas de carbón debido al cierre debido a las regulaciones de contaminación del aire ; pero varias empresas que desarrollan este concepto han reducido sus programas por falta de perspectivas de implementación a corto plazo.
En 2019, la Agencia Internacional de Energía (EIA) estima que la electricidad nuclear en los Estados Unidos podría caer un 17% en 2025 en comparación con el nivel de 2018, una pérdida que será "compensada en gran medida por (el aumento de producción) nuevo , plantas de energía eólica y solar ” . Enagosto 2019, la administración Trump está creando, en apoyo de la industria nuclear, el Centro Nacional de Innovación de Reactores (NRIC), un centro dedicado al "despliegue de reactores avanzados" en el sector privado mediante la apertura de laboratorios públicos estadounidenses, para validar nuevos sistemas acelerar la concesión de licencias y la comercialización de estos reactores, los pequeños reactores modulares ( pequeños reactores modulares , SMR) y otros microrreactores. La administración Trump también ha tomado medidas legislativas para levantar los frenos a la experimentación con nuevas soluciones nucleares.
Los riesgos y costos no son evaluados de la misma manera por los pro-nucleares y los anti-nucleares , quienes también están divididos sobre la utilidad de las aplicaciones nucleares civiles y militares, en particular la generación de energía nuclear. Y la conveniencia de eliminar gradualmente la energía nuclear civil. poder .
Las aplicaciones civiles de la energía nuclear son controvertidas debido a:
Los defensores de las aplicaciones civiles de la energía nuclear presentan otros argumentos:
El presidente del IPCC , Hoesung Lee , detalló en la conferencia del OIEAoctubre de 2019, conclusiones del informe especial SR1.5 publicado en 2018. Sobre la base de los 21 modelos disponibles, el IPCC estudió 89 trayectorias que permitieron contener el aumento de la temperatura global a 1,5 ° C para 2100. Estas trayectorias muestran un significativo esfuerzo en términos de eficiencia energética, así como la duplicación de la participación de la electricidad en la energía total (del 19% en 2020 en valor medio al 43% en 2050). La energía nuclear contribuye a los esfuerzos por descarbonizar la electricidad en la gran mayoría de las 89 trayectorias. Para el presidente del IPCC, la energía nucleoeléctrica debe hacer frente a dos desafíos principales: la competitividad en comparación con otras tecnologías no fósiles y la aceleración de su ritmo de despliegue; concluye: "¡Les deseo éxito en la superación de estos desafíos porque el clima necesita toda la ayuda que pueda obtener!" " . El Director General de la Agencia Internacional de Energía , Fatih Birol dijo: “Tenemos que considerar todas las tecnologías limpias. La energía solar y la eólica son importantes. Pero creemos que la energía nuclear y la CAC también son importantes. No podemos permitirnos el lujo de elegir nuestra tecnología preferida ” .
Según una nota del Instituto Francés de Relaciones Internacionales (IFRI), “los retrasos y costos adicionales de los proyectos occidentales en energía nuclear civil están consolidando un duopolio ruso-chino sobre las exportaciones de reactores de tercera y cuarta generación. En este contexto, los pequeños reactores modulares ( pequeños reactores modulares , SMR) han renovado el interés y son desarrollados por muchos actores, principalmente de empresas estatales rusas y chinas en una multitud de nuevas empresas norteamericanas " . Este memorando considera que la era de los grandes EPR ha terminado y que los reactores pequeños con ingeniería integrada y estandarizada podrían producirse de manera modular en la fábrica, reduciendo los costos y el tiempo de construcción. Estos pequeños reactores podrían resultar atractivos para los países emergentes.