Công nghệ hạt nhân sử dụng năng lượng được giải phóng ra từ phản ứng phân tách nguyên tử của một số nguyên tố. Công nghệ này được nghiên cứu đầu tiên vào những năm 1940, và trong suốt đại chiến thế giới thứ hai nghiên cứu tập trung ban đầu vào chế tạo bom bằng cách tách nguyên tử uranium hay plutonium.

• Các nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên bắt đầu hoạt động vào những năm 1950.
• Hiện nay, có hơn 440 lò phản ứng hạt nhân thương mại đang hoạt động tại 30 nước với tổng công suất là 377.000 MW điện.
• Các lò phản ứng này cung cấp khoảng 14% sản lượng điện thế giới, là nguồn điện phụ tải cơ bản, liên tục, đáng tin cậy và hiệu suất của các lò đang ngày càng tăng.
• Trên thế giới có 56 quốc gia vận hành tổng cộng 250 lò phản ứng nghiên cứu và ngoài ra còn có 180 lò phản ứng hạt nhân cung cấp năng lượng cho 140 tàu thủy và tàu ngầm.

Trong những năm 1950, mối quan tâm chuyển sang sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hòa bình, đáng chú ý là để sản xuất điện. Hiện nay, điện năng sản xuất từ năng lượng hạt nhân của thế giới tương đương với lượng điện được sản xuất ra từ tất cả các nguồn năng lượng tổng hợp lại của năm 1960. Ngày nay, năng lượng hạt nhân dân sự cung cấp gần 14% nhu cầu điện thế giới, từ các lò phản ứng tại 30 quốc gia. Thực tế, có nhiều hơn 30 quốc gia sử dụng điện được tạo ra từ công nghệ hạt nhân.

Một số nước cũng xây dựng các lò phản ứng thí nghiệm để cung cấp nguồn tia nơtron cho nghiên cứu khoa học và sản xuất các chất đồng vị trong y học và công nghiệp.

Ngày nay, chỉ 8 quốc gia được biết đến là có năng lực vũ khí hạt nhân. Ngược lại, 56 nước vận hành các lò phản ứng nghiên cứu dân sự, và 30 quốc gia vận hành 440 lò phản ứng hạt nhân thương mại với tổng công suất lắp đặt hơn 377.000 MW điện. Con số này cao hơn gấp 3 lần tổng công suất phát điện từ tất cả các nguồn năng lượng của Pháp và Đức.

Ngoài ra, có hơn 60 lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng, tương đương với 17% công suất hiện hành, bên cạnh đó có hơn 150 lò phản ứng đã được lên kế hoạch xây dựng, tương đương với 46% công suất hiện hành.

Có 16 quốc gia phụ thuộc vào điện hạt nhân để cung cấp ít nhất ¼ sản lượng điện của nước mình. Pháp khai thác khoảng ¾ điện năng từ năng lượng hạt nhân, trong khi đó Bỉ, Bungari, Cộng hòa Séc, Hungari, Slovakia, Hàn Quốc, Thụy Điển, Thụy Sĩ, Slovenia và Ucraina khai thác khoảng 1/3 hoặc nhiều hơn. Nhật Bản, Đức và Phần Lan khai thác hơn ¼ điện năng từ năng lượng hạt nhân, trong khi Hoa Kỳ sử dụng 1/5 điện năng là từ điện hạt nhân. Trong số các nước không xây dựng nhà máy điện hạt nhân, Italia khai thác 10% năng lượng hạt nhân và Đan Mạch khai thác khoảng 8%.

Khi việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân khôi phục trở lại với mức đã đạt được trong những năm 1970 và 1980, các nhà máy hiện đang vận hành đã có hiệu suất cao hơn. Năm 2007, sản lượng điện hạt nhân đạt 2608 tỉ kWh.

Số lượng gia tăng trong 6 năm tính tới năm 2006 là 210 TWh (terawatt hour) tương đương với sản lượng đầu ra của 30 nhà máy điện hạt nhân lớn, mới được xây dựng. Tuy nhiên, từ 2000-2006 không có sự gia tăng thực về số lượng lò phản ứng (chỉ có công suất tăng 15 GWe).

Sự cải thiện chủ yếu dựa vào hiệu suất được nâng cao tại các lò hiện hành. Năm 2007, hiệu suất giảm trở lại khoảng 50 TWh do sự đóng cửa các nhà máy ở Đức, Hoa Kỳ và Nhật Bản.

Trong thời gian dài hơn, từ 1990 tới 2006, công suất điện thế giới tăng 44 GWe, (đạt tỷ lệ tăng 13,5% do tăng số lượng nhà máy mới và cả do nâng cấp các nhà máy tồn tại) và sản lượng điện tăng 757 kWh (40%). Việc xây dựng nhà máy điện tương ứng với sự gia tăng trên là: xây mới 36%, nâng cấp 7% và khả năng gia tăng sẵn có 57%.

Một phần tư số lò phản ứng của thế giới có hệ số tải trọng hơn 90% và gần 2/3 số lò hoạt động trên 75% hiệu suất, so với ¼ số lò vào năm 1990. Trong 15 năm, các nhà máy của Phần Lan chiếm các vị trí đứng đầu trong bảng hiệu suất hoạt động, tuy nhiên Hoa Kỳ hiện tại đang giữ 25 vị trí dẫn đầu, theo sau là Nhật Bản và Hàn Quốc.

Hiệu suất của nhà máy điện hạt nhân Hoa Kỳ cải thiện đều đặn trong vòng 20 năm trở lại đây, và hệ số tải trọng trung bình hiện nay ở khoảng 90%, tăng từ 66% vào năm 1990 và 56% năm 1980. Điều này đã đưa Hoa Kỳ trở thành nước dẫn đầu về hiệu suất chiếm gần một nửa trong số 25 lò phản ứng hàng đầu thế giới, lò phản ứng thứ 25 đang đạt hiệu suất hơn 98%. Hoa Kỳ đang chiếm gần 1/3 sản lượng điện hạt nhân thế giới.

Năm 2009 và 2010, có 9 quốc gia đạt hệ số tải trọng trung bình hơn 80%, trong khi các lò phản ứng của Pháp có hệ số tải trọng trung bình là 73%, mặc dù nhiều lò phản ứng đang hoạt động theo chế độ phụ tải (load-following), chứ không hoàn toàn sử dụng chế độ tải nền (based-load).

Một số dữ liệu trên cho thấy việc sử dụng đạt mức gần tối đa, do hầu hết các lò phản ứng cứ sau 18-24 tháng phải ngừng hoạt động để thay nhiên liệu và bảo trì thường xuyên. Tại Hoa Kỳ, công việc này trung bình kéo dài hơn 100 ngày, nhưng trong thập niên trước đây, nó chỉ mất trung bình 40 ngày. Một số đo về hiệu quả khác là sự tổn thất công suất ngoài dự toán. Trong vài năm gần đây, sự thất thoát này tại Hoa Kỳ chỉ ở mức dưới 2%.

Ngoài các nhà máy điện hạt nhân thương mại, có khoảng 250 lò phản ứng nghiên cứu đang hoạt động tại 56 nước, còn có nhiều lò đang được xây dựng. Các lò này phục vụ nhiều mục đích bao gồm nghiên cứu và sản xuất các đồng vị phóng xạ dùng trong công nghiệp và y học cũng như đào tạo.

Việc sử dụng các lò phản ứng cho các động cơ đẩy hàng hải được giới hạn chủ yếu trong hải quân, nơi ứng dụng này đã giữ trò quan trọng trong 5 thế kỷ qua, cung cấp điện cho tàu ngầm và các tàu mặt nước cỡ lớn. Khoảng 140 tàu dùng động cơ đẩy sử dụng năng lượng từ 180 lò phản ứng hạt nhân và với kinh nghiệm lâu đời hơn 13.000 reactor-years đối với các lò phản ứng dùng trong hàng hải. Nga và Hoa Kỳ đã không còn sử dụng nhiều tàu ngầm hạt nhân mà hai nước này đã triển khai từ thời kỳ Chiến tranh lạnh.

Nga cũng vận hành một hạm đội gồm 6 tàu phá băng chạy bằng năng lượng hạt nhân và một chiếc tàu chở hàng trọng tải 62000 tấn, dùng cho dân sự nhiều hơn là quân sự. Nước này cũng đang hoàn thành một nhà máy điện hạt nhân nổi với 2 lò phản ứng công suất 40 MWe để sử dụng cho các vùng xa.

Xem thêm: Công nghệ chu trình nhiên liệu hạt nhân

Dân số thế giới hiện có 6,6 tỉ người và dự báo sẽ tăng lên mức 9 tỉ vào năm 2050, cùng với đó là sự bùng nổ nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới. Trong khi đó, đà phát triển năng lượng hiện tại lại không bền vững. Các nhà khoa học hàng đầu thuộc Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) của Liên Hiệp Quốc đã cảnh báo rằng từ nay đến 2050 phải cắt giảm được 70% lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính để ngăn chặn những thảm họa tự nhiên do biến đổi khí hậu trên trái đất. Để làm được điều đó trên quy mô lớn toàn cầu đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ công nghệ trong nền kinh tế thế giới.

Chiến lược giảm phát thải khí nhà kính phải toàn diện, đi theo hướng bảo tồn và hiệu quả, tạo ra nhiều thay đổi diện rộng hơn trong các quy trình sản xuất công – nông – lâm nghiệp. Tuy vậy, nhiệm vụ chính vẫn là chuyển đổi về năng lượng trên quy mô toàn cầu – vì phần lớn khí nhà kính đều bắt nguồn từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, trong đó thách thức lớn nhất trong việc cắt giảm khí nhà kính là khử cacbon trong hệ thống năng lượng đang ngày càng mở rộng trên toàn thế giới.

Những vấn đề lớn đặt ra vẫn là tương lai phát triển công nghệ năng lượng sạch:

• Tương lai giao thông vận tải: Các loại pin tiên tiến hay tế bào nhiên liệu hydro sẽ hiệu quả hơn?
• Nhiên liệu hóa thạch sạch: kế hoạch áp dụng kỹ thuật thu và lưu giữ khí cacbon (CCS) trên diện rộng có khả thi, hợp lý và lâu dài không?
• Các công nghệ năng lượng tái tạo: Những nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió, năng lượng mặt trời, sinh khối, địa nhiệt, thủy triều) có vượt qua được những trở ngại về chi phí và tình trạng phân phối gián đoạn trên diện rộng không?

Mặc dù những công nghệ này vẫn chưa được biết đến nhưng những thành phần chủ yếu cần thiết để tạo nên một nền kinh tế năng lượng sạch toàn cầu thì đã được xác định rất rõ ràng:

Lượng điện năng cung cấp lớn hơn và sạch hơn:

• Chuyển đổi hoàn toàn sang các công nghệ không phát thải khí.
• Sử dụng năng lượng điện lớn hơn trong các quy trình sản xuất công nghiệp và làm nóng.
• Điện khí hóa giao thông vận tải (sử dụng tàu điện và xe hơi chạy pin).
  

Những yếu tố khác (ví dụ như sử dụng điện năng sạch hoặc nhiệt sạch):

• Xây dựng các nhà máy điện hiệu suất cao và không phát thải khí, kết hợp cung cấp nhiệt và phát điện (CHP).
• Khử mặn nước biển, làm dịu cuộc khủng hoảng nước toàn cầu đang lan rộng.
• Sản xuất khí hydro làm pin nhiên liệu.

Tóm lại, tương lai “Nhu cầu năng lượng sạch toàn cầu” là một tổng thể kết hợp các yếu tố sạch với tên viết tắt là “EHDH”:

• Clean Electricity: điện sạch (trong đó gồm cả pin năng lượng)
• Clean Heating: đốt nóng sạch (cho các quy trình sản xuất và cho các nhà máy/văn phòng/nhà ở)
• Clean Desalination: phương pháp khử mặn sạch
• Clean Hydrogen production: sản xuất hydro sạch.

Định lượng nhu cầu năng lượng sạch

Để dự đoán nhu cầu năng lượng sạch toàn cầu, các chuyên gia đã:

• Lấy điểm khởi đầu về nhu cầu EHDH như là yêu cầu cấp bách về tiêu thụ điện năng phi cacbon trên quy mô thế giới (vào năm 2000 đạt giá trị 2.000 GW điện hạt nhân).
• Thừa nhận dự đoán của các nhà phân tích năng lượng cho rằng mức sử dụng năng lượng toàn cầu sẽ tăng gấp đôi trong khoảng thời gian 2000 – 2050, trong khi đó nhu cầu về điện năng sẽ tăng gấp 3 hay thậm chí gấp 4 lần.
• Thừa nhận khả năng nhu cầu EHDH sẽ tăng gấp 5 lần tính đến 2050, với giả định rằng các yếu tố nhiệt sạch, khử mặn nước biển và sản xuất hydro sạch được đảm bảo bền vững.
• Giả định rằng mức tăng nhu cầu EHDH sẽ chậm lại còn 40% trong giai đoạn 2050 – 2100, khi dân số toàn cầu ổn định ở ngưỡng 9 tỷ người và nền kinh tế vẫn tiếp tục phát triển đều đặn.

Theo cách tiếp cận trên, ước tính nhu cầu năng lượng sạch đến giữa thế kỷ sẽ vào khoảng 10.000 GW điện hạt nhân, và sẽ tiếp tục tăng thêm khoảng 40% đến năm 2100. Điều này đồng nghĩa với việc thế giới sẽ phải điều chỉnh giảm mục tiêu phát triển năng lượng sạch theo hướng như khi đã nỗ lực đạt được mục tiêu trước đó.

Đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch

Để đưa ra được những dự báo phát triển hạt nhân theo đúng bối cảnh thực tiễn, các chuyên gia dựa vào những giả định liên quan đến toàn bộ hệ thống phân phối năng lượng sạch trong thế kỷ 21 như sau:

• Phát triển thủy điện sẽ dừng lại vào giữa thế kỷ.
• Năng lượng tái tạo sẽ phát triển liên tục và mạnh, với sản lượng điện đầu ra vào năm 2100 sẽ đạt mức cao hơn gấp đôi tổng sản lượng điện trên toàn thế giới hiện nay.
• Kỹ thuật thu và lưu giữ khí cacbon (CCS) sẽ được sử dụng lâu dài trong thế kỷ 21, trở thành một công nghệ cầu nối trung gian, tuy không phát triển vô hạn định.
• Phát triển năng lượng hạt nhân trong phạm vi ranh giới đã xác định trong báo cáo Triển vọng.

Những giả định này đều rất thuận lợi cho thực hiện các triển vọng Năng lượng tái tạo mới hiện còn chưa mang lại nhiều đóng góp cho ngành, và phát triển các công nghệ CCS mới vốn còn mang nặng tính lý thuyết.