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2 I. Introduction: L énergie consommée par les appareils de nos foyers est sous forme d énergie électrique, facilement transportable. Aujourd hui, nous obtenons cette énergie électrique en grande partie grâce à des centrales thermiques. Il en existe deux types : Les centrales thermiques à combustible fossile Les centrales nucléaires (utilisant les ressources fissiles)

3 II. Fonctionnement d une centrale thermique à combustible fossile 1. Schéma de fonctionnement => lien pour une animation disponible sur le site -fswuuka

4 Pour la vidéo cliquer

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6 a. La combustion Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé (i.e subit une réaction de combustion) dans les brûleurs d'une chaudière pouvant mesurer jusqu'à 90 m de hauteur. Remarque : Le charbon est d'abord réduit en poudre, le fioul est chauffé pour le rendre liquide puis vaporisé en fines gouttelettes et le gaz est injecté directement sans traitement préparatoire. b. La production de vapeur La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l'eau froide. En brûlant, le combustible dégage de la chaleur qui va chauffer cette eau. L'eau se transforme en vapeur, envoyée sous pression vers les turbines. c. La production d'électricité La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension. d. Le recyclage À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. L'eau ainsi obtenue est récupérée et re-circule dans la chaudière pour recommencer un autre cycle.

7 2. Réaction de combustion Exemple de combustion : les coefficients stœchiométriques sont à compléter au besoin Combustion du charbon :. C(s) +. O 2 (g). CO 2 (g) Combustion du méthane :. CH 4 (g) +. O 2 (g). CO 2 (g) +. H 2 O(g) 2 2 A RETENIR : Afin de libérer de l énergie des ressources fossiles, on les brûle : ils subissent une réaction de combustion. La réaction de combustion est une réaction chimique d oxydation très exothermique ( = libérant de l énergie thermique)

8 3. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE Rappels : toutes ces conversions d énergie s accompagnent de pertes sous forme d énergie thermique.

9 3. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE Energie chimiqu e Energie mécaniqu e Energie thermique Energie électrique. Rappels : toutes ces conversions d énergie s accompagnent de pertes sous forme d énergie thermique.

10 III. Fonctionnement d une centrale nucléaire 1. Schéma de fonctionnement

11 L'énergie nucléaire cliquer La centrale nucléaire cliquer

12 a. Le circuit primaire Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir. Ce circuit fermé est appelé circuit primaire. b. Le circuit secondaire Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par l'intermédiaire d'un générateur de vapeur. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. c. La production d électricité La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes très haute tension d. Le circuit de refroidissement À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Ce troisième circuit est appelé circuit de refroidissement. En bord de rivière, l'eau de ce 3e circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours, appelées aéroréfrigérants. Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres.

13 2. Questions : a) Quels sont les éléments communs aux deux types de centrale? b) Pourquoi n utilise-t-on pas directement l eau du circuit primaire pour faire tourner la turbine d une centrale nucléaire? c) De quoi est constituée la fumée blanche sortant des centrales nucléaires?

14 3. Réaction de fission Dans une centrale nucléaire, des neutrons sont envoyés à 20 km.s -1 sur des atomes d uranium 235. En percutant leur noyau, ils vont provoquer une fission nucléaire. Définition : La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd, dit fissile, est scindé en deux noyaux plus légers.

15 Exemples de fission nucléaire : S U + n Xe r 0 n U + n Kr + Ba n S U + n Xe r 0 n

16 3. Questions : a) Donner deux autres exemples d isotopes de l uranium 235. b) Quelle est la différence fondamentale entre une réaction chimique et une réaction nucléaire?

17 4. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE Rappels : toutes ces conversions d énergie s accompagnent de pertes sous forme d énergie thermique.

18 4. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE Energie nucléair e Energie mécaniqu e Energie thermique Energie électrique. Rappels : toutes ces conversions d énergie s accompagnent de pertes sous forme d énergie thermique.

19 IV. La fusion pour produire l énergie de demain? 1. Réaction de fusion nucléaire Définition : La fusion nucléaire est la formation d un noyau plus lourd à partir de deux noyaux plus légers.

20 Exemples de réaction de fusion nucléaire : H 1 + H 1 He n L H i 2 He

21 2. Intérêt Document :(d après P. Schwaederlé) Les centrales à combustibles fossiles souffrent de trois gros inconvénients : - la dépendance énergétique des pays qui ne disposent pas de ces ressources - les réserves énergétiques dont l exploitation n excédera pas quelques dizaines d années. - la pollution atmosphérique importante engendrée par leur fonctionnement Les centrales nucléaires ne font guère mieux (dépendance à l uranium, dangerosité des centrales, déchets nucléaires très dangereux ).

22 Pour pouvoir mesurer l impact réel des différentes technologies produisant de l énergie sur l environnement et sur le dérèglement climatique, il faut prendre en compte non seulement la pollution générée lors de leur fonctionnement, mais aussi lors de l extraction et du transport des éventuels combustibles et lors de la construction de l unité de production (centrale, panneau solaire, éolienne, barrage ). On obtient alors les chiffres du tableau ci-contre. Technologie grammes de CO2 par kwh produit charbon 800 à 1000 gaz 450 photovoltaïque 50 à 150 nucléaire 20 à 60 hydraulique 5 à 40 éolien 2 à 20 biomasse (bois) 0 (1500 sans replantation)

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24 Cette méthode de production d énergie ne génère aucune pollution et utilise une ressource considérée comme inépuisable sur Terre : le deutérium (isotope de l hydrogène H) En effet, l eau des mers et des océans contient en moyenne 33 g de deutérium par mètre cube ce qui pourrait alimenter en énergie notre planète pendant quelques centaines de millions d'années. Energie libérée 1 tonne de pétrole (combustion) 1 tonne de charbon (combustion) 1 tonne de bois (combustion) 1 tonne de gaz (combustion) 1 tonne d uranium (fission) 1 tonne de deutérium (fusion) tep 1,0 0,6 0,3 0,

25 Questions a) Entre les réactions de combustion et les réactions nucléaires, lesquelles sont les plus exo énergétiques? Justifier en calculant la masse de pétrole à brûler pour obtenir autant d énergie qu un kilogramme d uranium. b) Quelle est la ressource utilisée pour la réaction de fusion? D où est elle extraite? c) En vous basant sur les réactions de fusion écrites au 1., justifier que la fusion nucléaire du deutérium peut ne pas produire de déchets nucléaires. d) La fusion nucléaire du deutérium émet-elle des gaz polluants? e) Un mètre cube d eau de mer contient en moyenne 33g de deutérium. Quelle est la masse de pétrole à brûler pour obtenir autant d énergie que la fusion de ces 33g? f) Conclure sur les avantages de cette manière d obtenir de l énergie.

26 3. Utilisation de la fusion nucléaire Le Soleil est une boule de gaz chauds dont le cœur contient une grande quantité d hydrogène. La température et la pression sont telles que cet hydrogène va entrer en fusion nucléaire et libérer de l énergie. Cela va faire chauffer l étoile qui va alors émettre de la lumière. Lorsque le cœur ne contiendra plus d hydrogène (dans quelques milliards d années), d autres réactions de fusion nucléaires vont avoir lieu et libéreront beaucoup plus d énergie! Le Soleil se mettra alors à gonfler jusqu à détruire la planète Terre. Réactions de fusion ayant lieu dans le Soleil

27 Un projet scientifique : l ITER ITER (originellement en anglais : International Thermonuclear Experimental Reactor ou en français : «réacteur thermonucléaire expérimental international») est un projet de machine expérimentale de type tokamak (=chambre de confinement magnétique) visant à montrer la faisabilité d'un réacteur générateur d'électricité utilisant le principe de la fusion. Il est actuellement en construction à proximité de Cadarache (France). Ce projet est destiné à vérifier la «faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvelle source d énergie».

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