A. Énergie nucléaire 1. Fission nucléaire 2. Fusion nucléaire 3. La centrale nucléaire

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1 Énergie

2 Table des A. Énergie La centrale

3 Énergie Table des Pour ce chapitre du cours il vous faut à peu près 90 minutes. A la fin de ce chapitre, vous pouvez : -distinguer entre fission et fusion. -énoncer et utiliser les notions suivantes : vitesse de la lumière c, unité de masse atomique et nombre d Avogadro. -utiliser la formule d Einstein et calculer à partir du défaut de masse l énergie libérée lors de la fission et de la fusion. -déterminer le deuxième sous-produit d une fission à partir de l uranium connaissant l un des éléments obtenus. -énoncer le principe de fonctionnement d une centrale à eau pressurisée. -distinguer entre le rôle de fluide colporteur et modérateur de l eau. -énoncer les avantages et désavantages de l utilisation de l énergie.

4 1. Cette partie du cours est un bref rappel du chapitre correspondant de chimie. La fission est résumée dans le petit film ci-dessous.

5 Observation : Le neutron incident apporte de l énergie au noyau. Il interagit avec les nucléons et perturbe le fragile équilibre qui règne dans le noyau de l uranium. Ce dernier change de forme, s allonge et prend pendant un court moment la forme d une haltère avant de se séparer en deux parties. La somme des masses des produits de fission est inférieure à la masse du noyau d uranium initial. L énergie libérée est proportionnelle à ce défaut de masse selon la formule d Einstein : E= Δm x c 2 E désigne l énergie, c la vitesse de la lumière et Δm le défaut de masse. Les neutrons libérés lors de la première fission peuvent interagir avec d autres noyaux d uranium et continuer la réaction ce qui constitue une réaction en chaîne.

6 Quelques paramètres importants : La vitesse de la lumière c vaut 3x10 8 m/s. L unité de masse atomique u est égale à 1,661x10-27 kg. Le neutron a une masse de u. Le nombre d Avogadro, qui est le nombre d'entités élémentaires (atomes, ions, molécules...) contenues dans une mole de matière, est égal à 6,023x10 23.

7 Exercice : Parmi les produits de fission de l uranium-235 est détecté du baryum-142 et deux neutrons. Quel est le deuxième élément issu de la fission? U + n Ba + X + 2n avec X on obtient 92 36Kr le krypton-92 Attention on ne retranche qu un seul neutron parce qu on tient compte du neutron incident!

8 Exercice : Calculez l énergie libérée lors de la fission de 1 g d uranium (235) en baryum (142) et du krypton (92) sachant que les masses respectives sont u pour l uranium, u pour le baryum et u pour le krypton. Masse des produits : u u + 2x u = u Masse initiale : u u = u Δm = 0.19 u = 0.19x 1,661x10-27 kg=3.1x10-28 kg E = (3.1x10-28 kg) x (3x10 8 m/s) 2 = 2.8x10-11 J Le nombre d atomes d uranium-235 dans 1 g est 1/235.04*6.023*10 23 = 2.6x10 21 atomes E de 1 g d uranium-235= (2.6x10 21 )x(2.8x10-11 J) = 7,3x10 10 J = 7.3X10 7 kj

9 2. La fusion est résumée dans le petit film ci-dessous.

10 Observation : Lors de la fusion qui se produit à des températures très élevées, des noyaux atomiques légers, comme le deutérium ( 2 1H) et le tritium ( 3 1H)fusionnent pour produire un atome lourd d hélium ( 4 2He). Cette fusion s accompagne d une perte de masse et produit une énergie conformément à la relation d Einstein E= Δm x c 2 vue lors du chapitre de la fission. Actuellement, l utilisation de la fusion comme source d énergie n est pas encore réalisable car les températures nécessaires sont de l ordre de quelques dizaines de millions C et sont difficilement contrôlables avec les technologies d aujourd hui.

11 3. La centrale L énergie est depuis son utilisation industrielle très controversée. Nous allons dans ce chapitre étudier la centrale à eau pressurisée qui est le type de centrale le plus répondu. Notamment la centrale de Cattenom est un exemple de ce type. de Cattenom (France) Les autres types de centrales s les plus courantes sont: - à eau bouillante - à graphite gaz - à eau lourde - à neutrons rapides.

12 Table des Le film ci-dessous montre le principe du fonctionnement d une centrale à eau pressurisée.

13 Le fonctionnement : Le combustible est constitué d un mélange des deux isotopes 235 et 238 d uranium. A l état naturel, l uranium ne contient que 0,7 % de l isotope 235 fissile. Il doit être enrichi artificiellement jusqu à 3 %. Les tubes métalliques d uranium enrichi forment un élément combustible. Les éléments combustibles trempent dans l eau du réacteur. L eau joue le rôle de fluide caloporteur et de modérateur! L eau du circuit primaire au contact des éléments combustibles apporte l énergie calorifique par l intermédiaire d un échangeur à un circuit secondaire qui alimente une turbine. La turbine à son tour active l alternateur pour produire le courant électrique.

14 L eau ralentit les neutrons issus de fissions qui sont trop rapides afin qu ils ne s échappent pas à grande vitesse du réacteur Les barres de réglages ajustent le nombre de neutrons disponibles pour la fission. Ces barres sont constituées de capteurs de neutrons (bore, cadmium, baryum). Quand le nombre de neutrons disponibles au cours du temps est constant, le réacteur est dit critique, sous critique si la réaction s estompe et sur critique si le nombre des neutrons au cours du temps augmente.

15 Les avantages de l énergie : -Les quantités de combustibles fissiles utilisés pour produire de l énergie sont faibles. 1 g d uranium produit autant d énergie calorifique qu à peu près 100 kg de charbons. D où la possibilité de produire beaucoup d énergie dans un espace restreint. -A part les vapeurs d eau il n y a pratiquement pas de rejets atmosphériques donc pas de C02, C0, NOx, S0 2 liés à la combustion de combustibles fossiles

16 Les désavantages de l énergie : -L inconvénient majeur de l utilisation de matériel fissile est la radioactivité de l uranium et des éléments produits lors de la fission de l uranium 235. En effet, le rayonnement issu de ces mélanges d éléments radioactifs est ionisant. Les organismes vivants exposés à ce type de rayonnement peuvent selon la dose absorbée développer un cancer où mourir suite à des lésions et hémorragies. Les éléments comme l uranium 238 ont une demi-vie de 4,5x10 9 ans. Donc 50% de la radioactivité initiale est encore présente après 4,5 milliards d années! -Le traitement des déchets de l énergie s est onéreux et dangereux pour l environnement. Le stockage des déchets de l énergie dans les mines de sels est controversé mais on ne dispose pas de meilleure solution pour le moment. -Le plutonium, un élément produit lors de la fission de l uranium-235, peut être utilisé pour la production de la bombe A.

17 Nous avons appris dans ce chapitre les notions suivantes : Lors de la fission il ya rupture du noyau atomique du matériel fissile (uranium-235) avec libération d énergie. L énergie libérée est proportionnelle au défaut de masse (E= mc 2 ) Lors de la fusion des noyaux atomiques légers fusionnent pour produire un atome d hélium. Cette fusion s accompagne d une perte de masse et libère de l énergie proportionnelle au défaut de masse (E= mc 2 ). Dans la centrale du type eau pressurisée l eau joue à la fois le rôle caloporteur (véhicule l énergie calorifique générée) et le rôle modérateur (ralentie les neutrons de la fission). Les exercices de ce chapitre sont sur le site de la communauté sous : /physique/physique3/nucléaire Pour en savoir plus, veuillez trouver ci-dessous quelques sites web intéressants qui valent la peine d être visités! La fission La fusion Le réacteur

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