Lycée français La Pérouse TS. L énergie nucléaire CH P6. Exos BAC

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1 SVOIR Lycée français La Pérouse TS CH P6 L énergie nucléaire Exos BC - Définir et calculer un défaut de masse et une énergie de liaison. - Définir et calculer l'énergie de liaison par nucléon. - Savoir convertir des J en ev et réciproquement. - Connaître la relation d'équivalence masse-énergie et calculer une énergie de masse. - Commenter la courbe d'ston pour dégager l'intérêt énergétique des fissions et des fusions. - Définir la fission et la fusion et écrire les équations des réactions nucléaires en appliquant les lois de conservation. nimations Flash Fission (CE) Fusion - partir de l'équation d'une réaction nucléaire, reconnaître le type de réaction. - Faire le bilan énergétique d'une réaction nucléaire en comparant les énergies de masse. EXERCICE : Réunion 003 Calculatrice interdite MÉCNISME DE FUSION DE L'HYDROGÈNE DNS UNE ÉTOILE pts On se propose de commenter un extrait d'article du dossier hors série de la revue «Pour la science» de janvier 00. «...La phase de fusion (ou combustion) de l'hydrogène est la plus longue de la vie des étoiles. Si la masse stellaire est comparable ou inférieure à celle du Soleil, la température centrale est inférieure à une vingtaine de millions de degrés. Dans ces conditions, la fusion de deux noyaux d'hydrogène (ou protons) produit un noyau de Deutérium qui capture un autre proton et forme un noyau d'hélium 3... Finalement, deux noyaux d'hélium 3 fusionnent en un noyau d'hélium...l'ensemble de ces réactions constitue la première des chaînes proton - proton ou chaîne p-p, la plus importante dans le cas du Soleil...». NB : les 3 parties de l'exercice sont indépendantes et peuvent donc être traitées indépendamment les unes des autres. Les valeurs numériques ont été volontairement simplifiées, afin de permettre la réalisation des calculs sans faire usage de la calculatrice. - QUELQUES CONSIDÉRTIONS DE VOCBULIRE - Donner une définition rapide des mots «fusion nucléaire» et «fission nucléaire». - En considérant les charges des noyaux en cause dans le mécanisme de fusion, expliquer pourquoi ces réactions ne peuvent se produire qu'à très haute température (,.0 7 C). On parle alors de fusion thermonucléaire... B - ÉTUDE DE L CHÎNE DE RÉCTIONS Notations utilisées pour les noyaux concernés : (ou proton) : H (ou p) Deutérium : H Hélium 3 : 3 He Hélium : He B- Écrire la réaction de fusion de deux noyaux d'hydrogène en un noyau de deutérium et une particule que l'on notera sous la forme Z X.Comment s'appelle cette particule? B- Écrire la réaction de fusion d'un noyau de deutérium et d'un proton en un noyau d'hélium 3. Cette fusion s'accompagne de l'émission d'un photon. Comment peut-on interpréter cette émission? B-3 Écrire la réaction de fusion de deux noyaux d'hélium 3 en un noyau d'hélium. Cette fusion s'accompagne de l'émission de deux autres noyaux identiques. Lesquels? B- Écrire la réaction bilan des trois réactions de fusion précédentes, qui, à partir de noyaux d'hydrogène, permet d'obtenir un noyau d'hélium. C - CONSIDÉRTIONS ÉNERGÉTIQUES. LE SOLEIL "MIGRIT-IL"? On considère désormais la réaction suivante H He + 0 e + On donne les masses des noyaux, en unité de masse atomique : H :,0073 u He :,006 u 0 e: 0,0006 u l u correspond à une énergie de 935 MeV ( 000 MeV) C- Calculer la perte de masse correspondant à cette fusion.

2 C- En déduire une estimation, en MeV, de la valeur de l'énergie libérée par nucléon lors de cette fusion. On choisira, parmi les estimations suivantes, la réponse correcte : 0,6 MeV 6 MeV 60 MeV C-3. Le soleil transforme, chaque seconde, 70 millions de tonnes d'hydrogène en hélium. Estimer la perte de masse subie, chaque seconde, par le soleil. On choisira, parmi les estimations suivantes, la réponse correcte : 500 tonnes tonnes tonnes tonnes NB : On pourra remarquer que le rapport 0,05/,09 est très peu différent de /60. EXERCICE : mérique du sud 00 Du Big Bang aux éléments chimiques 6 points calculatrice autorisée Tous les extraits encadrés sont tirés de «L Univers des étoiles» de L.BOTTINELLI et J.L. BERTHIER.. Remontons l écoulement du temps jusqu à l instant le plus originel de l histoire universelle. u début était la lumière! Inconsistance du monde contenant une incroyable, une fantastique quantité d énergie. Tout ce que l univers compte actuellement de galaxies, d étoiles, de planètes, d êtres ou d objets étaient là en germe sous forme d énergie immatérielle. La théorie du Big Bang sans cesse réaffirmée explique que, durant le premier quart d heure, de ce chaos énergétique très agité sont nées les particules de matière fondamentales : protons, neutrons, électrons près les particules de base, mais bien plus tard, des galaxies prennent forme, puis des étoiles apparaissent dans les galaxies. Par le truchement de la nucléosynthèse, la variété des éléments chimiques voit enfin le jour dans les étoiles insi, l Univers s est développé transformant son capital initial énergie en capital matière.. À quelle équivalence fait allusion le texte, en particulier dans la dernière phrase?.. Donner une relation permettant de définir cette équivalence. Préciser la signification de chaque terme employé dans cette relation ainsi que son unité dans le système international.. La température de l univers qui diminue au cours du temps, va régler durant le premier quart d heure la création de tel ou tel type de particule Mais créer une particule implique nécessairement de créer simultanément son antiparticule, toutes deux de masse identique Calculer l énergie de masse nécessaire à la création de la paire particule-antiparticule positron-électron de masse m e. L exprimer en J, puis en MeV. On donne : célérité de la lumière : c=, m.s - masse du positon = masse de l électron= m e = 9, 0-3 kg l électron volt : ev =, J 3. u bout du premier quart d heure, lorsque la température a chuté jusqu à 300 millions de degrés environ, les protons et les neutrons, rescapés de l annihilation matière-antimatière, s associent en noyaux légers, essentiellement en noyaux d hydrogène, de deutérium et d hélium Donner la composition du noyau de deutérium H. 30 millions d années plus tard, c est au cœur même des étoiles que la nature va poursuivre son œuvre. Cela commence par la [ ] thermonucléaire de l hydrogène en hélium. Cette transformation occupe l essentiel de la vie des étoiles et ne nécessite pour ainsi dire, 0 qu une température de 0 millions de degrés. Son bilan s écrit : H He e.. Que représente 0 e?.. Dans la deuxième ligne du texte ci-dessus, le nom de la réaction nucléaire mise en jeu a été effacé. Quel est-il?.3. Enoncer les lois de conservation qu elle vérifie... Calculer la perte de masse lors de cette réaction nucléaire. On donne : masse d un noyau d hydrogène H : m H =, kg masse d un noyau d hélium He : m He =6, kg masse de la particule e : m e =9, 0-3 kg

3 5. Sur la fin de leur existence (stade de dilatation de l enveloppe extérieure ou géante rouge), une contraction brutale du cœur des étoiles, accompagnée d une forte élévation de température (jusqu à 00 millions de degrés) permet la formation d éléments plus lourds. Le processus qui conduit au carbone par fusion de l hélium est appelé triple alpha et son bilan s écrit : Qu est-ce qu une particule alpha? Justifier le nom du processus. 3 He C 6. Seules les étoiles de masse supérieure ou égale à trois masses solaires, atteignant des températures plus élevées, ont le privilège de créer des éléments encore plus lourds. 800 millions de degrés, le carbone fusionne en magnésium ( Z = ), à milliard de degrés, l oxygène (Z=8) fusionne en silicium( Z = ) et à milliards de degrés, le silicium fusionne en fer ( Z = 6 ) On donne : énergie de liaison d un noyau de carbone 6 6 C : E l =9, MeV 6.. Définir l énergie de liaison. 6.. Calculer l énergie moyenne de liaison par nucléon d un noyau de carbone. Le tableau suivant donne les énergies moyennes de liaison par nucléon de quelques noyaux : 56 He Fe U E l en MeV/nucléon 7, 8,8 7, Parmi ces trois noyaux, lequel est le plus stable? Justifier. 6.. En utilisant la courbe d ston donnée en annexe, répondre aux questions suivantes : 6... Comment évolue la stabilité d un noyau quand son nombre de nucléons augmente? Distinguer trois domaines Quels sont les deux types de réactions nucléaires qui permettent d accéder au maximum de stabilité? Préciser dans quel domaine Justifier pourquoi la synthèse des éléments chimiques au cœur des étoiles s arrête à l élément fer. 7. La synthèse des noyaux plus lourds que le fer se réalise par un processus de capture de neutrons lors de l explosion finale d une grosse étoile en supernova. Deux scénarios peuvent se produire : ère possibilité : le noyau tout neuf, riche d un neutron supplémentaire, est stable et peut éventuellement capturer d autres neutrons. ème possibilité. 7.. Le premier scénario permet-il de créer des éléments chimiques différents? Justifier. 7.. Soit Z X, le noyau nouvellement créé dans le second scénario et Y, son noyau fils. Ecrire l équation générale de sa désintégration en fonction de et Z Peut-on, a priori, obtenir tous les éléments chimiques de numéro atomique supérieure à Z? Justifier. El (MeV/nucléon)

4 EXERCICE 3 : mérique du nord 006 EXERCICE III : PRODUCTION D'ÉNERGIE NUCLÉIRE ( points) I- Fission nucléaire Une centrale nucléaire est une usine de production d'électricité. ctuellement ces centrales utilisent la chaleur libérée par des réactions de fission de l'uranium 35 qui constitue le "combustible nucléaire". Cette chaleur transforme de l'eau en vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne un alternateur produisant l'électricité. Certains produits de fission sont des noyaux radioactifs à forte activité et dont la demi-vie peut être très longue.. Définir le terme demi-vie.. Définir l'activité d'une source radioactive. Préciser son unité dans le Système International. 3. Le bombardement d'un noyau d'uranium 35 par un neutron peut produire un noyau de strontium et un noyau de xénon selon l'équation suivante : 3.. Déterminer les valeurs des nombres et Z U + 0 n 9 Sr Z + 5 Xe n 3.. Calculer en MeV l'énergie libérée par cette réaction de fission Quelle est l'énergie libérée par nucléon de matière participant à la réaction? II - Fusion nucléaire Le projet ITER s'installera prochainement sur le site de Cadarache en France. L'objectif de ce projet est de démontrer la possibilité scientifique et technologique de la production d'énergie par la fusion des atomes. La fusion est la source d'énergie du soleil et des autres étoiles. Pour obtenir une réaction de fusion, il faut rapprocher suffisamment deux noyaux qui se repoussent, puisqu'ils sont tous deux chargés positivement. Une certaine énergie est donc indispensable pour franchir cette barrière et arriver dans la zone, très proche du noyau, où se manifestent les forces nucléaires capables de l'emporter sur la répulsion électrostatique. La réaction de fusion la plus accessible est la réaction impliquant le deutérium et le tritium. C'est sur cette réaction que se concentrent les recherches concernant la fusion contrôlée. La demi-vie du tritium consommé au cours de cette réaction n'est que de 5 ans. De plus il y a très peu de déchets radioactifs générés par la fusion et l'essentiel est retenu dans les structures de l'installation ; 90 % d'entre eux sont de faible ou moyenne activité. Tableaux de données: Particule ou Noyau Symbole Neutron ou proton ou Deutérium 3 ou Tritium Hélium 3 Hélium Uranium 35 Xénon Strontium n H H 3 H 3 He He 35 U Xe 9 Sr Z Masse en u,00866,0078,0355 3,0550 3,093,0050 3,99 38,889 93,895

5 Unité de masse atomique u =, kg Énergie de masse de l'unité de masse atomique E = 93,5 MeV Électronvolt ev =, J Vitesse de la lumière dans le vide c = 3, m.s -. Le deutérium de symbole H et le tritium de symbole 3 H sont deux isotopes de l'hydrogène... Définir le terme de noyaux isotopes... Donner le composition de ces deux noyaux.. Qu'appelle-t-on réaction de fusion? 3. Sur la courbe d'ston (annexe à rendre avec la copie) indiquer clairement dans quel domaine se trouvent les noyaux susceptibles de donner une réaction de fusion.. Écrire l'équation de la réaction nucléaire entre un noyau de Deutérium et un noyau de Tritium sachant que cette réaction libère un neutron et un noyau noté Z X. Préciser la nature du noyau Z X. 5. Montrer que l'énergie libérée au cours de cette réaction de fusion est de 7,6 MeV. Quelle est l'énergie libérée par nucléon de matière participant à la réaction? 6. Conclure sur l'intérêt du projet ITER en indiquant les avantages que présenterait l'utilisation de la fusion par rapport à la fission pour la production d'électricité dans les centrales nucléaires. EXERCICE III: NNEXE À RENDRE VEC L COPIE Courbe d'ston E l / (en MeV/nucléon) 56 Fe 6

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