FISSION NUCLÉAIRE. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke
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- Patrick Labbé
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1 FISSION NUCLÉAIRE Marcel Lacroix Université de Sherbrooke
2 AU 19 ÈME SIÈCLE CLE 1. Deux grandes forces sont connues: -la force gravitationnelle (17ème siècle); -la force électromagnétique (19ème siècle). M. Lacroix Fission nucléaire 2
3 TABLEAU PÉRIODIQUE P DES ÉLÉMENTS Dmitry Mendeleyev ( ) Julius Meyer ( ) M. Lacroix Fission nucléaire 3
4 M. Lacroix Fission nucléaire 4
5 AU 20 ÈME SIÈCLE CLE 2. Deux nouvelles forces sont découvertes: -la force faible (la radioactivité); -la force nucléaire (le noyau). M. Lacroix Fission nucléaire 5
6 DÉCOUVERTE DES RAYONS X Roentgen en 1895 M. Lacroix Fission nucléaire 6
7 DÉCOUVERTE DE LA RADIOACTIVITÉ Henri Becquerel en 1896 M. Lacroix Fission nucléaire 7
8 DÉCOUVERTE DE L ÉL ÉLECTRON John Thompson en 1897 M. Lacroix Fission nucléaire 8
9 DÉCOUVERTE DU RADIUM Pierre et Marie Curie en 1905 M. Lacroix Fission nucléaire 9
10 DÉCOUVERTE DU NOYAU Ernest Rutherford en 1911 M. Lacroix Fission nucléaire 10
11 DÉCOUVERTE DU NEUTRON James Chadwick en 1932 M. Lacroix Fission nucléaire 11
12 RÉACTION DE FISSION EN CHAÎNE Meitner et Hahn en 1940 M. Lacroix Fission nucléaire 12
13 Fission U-235U M. Lacroix Fission nucléaire 13
14 PREMIÈRE RÉACTION R EN CHAÎNE CONTRÔLÉE Enrico Fermi en 1942 M. Lacroix Fission nucléaire 14
15 RADIOACTIVITÉ ET NOYAU 3. L atome est constitué d un noyau ~ m, renfermant des protons et des neutrons, entouré d un nuage d électrons ~ m. Certains noyaux sont instables (on les appelle radio isotopes) et retrouvent leur stabilité en émettant un rayonnement: c est le phénomène naturel de radioactivité. M. Lacroix Fission nucléaire 15
16 RÉACTION CHIMIQUE VERSUS NUCLÉAIRE rnoyau 5 nucléaire 6 r atome ~ 10 E E atomique ~ 10 M. Lacroix Fission nucléaire 16
17 COMBUSTIBLE NUCLÉAIRE 4. Uranium naturel: 99.3% Uranium-238 (matière fertile) et 0.7% Uranium-235 (matière fissile). 5. U-235 consommé dans réacteurs nucléaires. 6. Réacteurs PWR (pressurized water reactors), le combustible UO 2 est enrichi en Uranium Réacteurs CANDU (CANadian Deuterium Uranium), le combustible UO 2 est naturel. M. Lacroix Fission nucléaire 17
18 CENTRALE NUCLÉAIRE: PRINCIPE L énergie nucléaire, la fission de l uranium, dégage de la chaleur. Une partie de cette chaleur produit de la vapeur d eau. Cette vapeur se détend dans une turbine qui entraîne l arbre d un alternateur et produit de l électricité. Le reste de la chaleur est dissipé dans l environnement. M. Lacroix Fission nucléaire 18
19 ÉLECTRICITÉ: : GÉNÉRATIONG L électricité est produite en suivant le principe de Faraday: une boucle tourne sur elle-même dans un champ magnétique ce qui génère un courant électrique dans cette même boucle. Michael Faraday ( ) 1867) M. Lacroix Fission nucléaire 19
20 M. Lacroix Fission nucléaire 20
21 COMMENT LA BOUCLE TOURNE-T-ELLE? ELLE? La boucle est fixée à un arbre qui tourne... et l arbre est solidaire de l axe d une turbine -hydraulique (centrale hydraulique); -à vapeur (centrale nucléaire); -à gaz (réacteur d avion); -à air (éolienne) M. Lacroix Fission nucléaire 21
22 Centrale nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 22
23 Pressurized Water Reactor (PWR) M. Lacroix Fission nucléaire 23
24 CANadian Deuterium Uranium (CANDU) M. Lacroix Fission nucléaire 24
25 Réacteur CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 25
26 CENTRALE NUCLÉAIRE CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 26
27 PASTILLES-GRAPPES GRAPPES-CALANDRE Une vingtaine de pastilles d oxyde d uranium insérées dans un tube fait de zircaloy; une quarantaine de tubes forment une grappe de combustible de 50 cm de longueur et 10 cm de diamètre; 12 grappes placées bout à bout glissées dans chacun des 360 tubes de forces constituent le cœur du réacteur nucléaire (calandre). M. Lacroix Fission nucléaire 27
28 CALANDRE CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 28
29 Centrale nucléaire CANDU ( MWe) M. Lacroix Fission nucléaire 29
30 Bâtiment réacteur CANDU La chaleur dégagée dans le réacteur fait bouillir l eau lourde pressurisée qui cède sa chaleur, dans des échangeurs, à de la vapeur qui sera turbinée. M. Lacroix Fission nucléaire 30
31 Cœur du réacteur nucléaire CANDU 360 tubes de force. Chaque tube contient 12 grappes de combustible de 22 kg chacune. 31
32 Circuit primaire et circuit du modérateur CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 32
33 M. Lacroix Fission nucléaire 33
34 Tour de refroidissement M. Lacroix Fission nucléaire 34
35 ÉNERGIE NUCLÉAIRE: AVANTAGES M. Lacroix Fission nucléaire 35
36 1. Forme d éd énergie la plus concentrée Source Années Pouvoir Bois (s) Charbon (s) C 12 H 26(l) diesel C 8 H 18(l) essence (kj/kg) Atomes C/H ~10 5 ~ ~10 3 ~ ~10 2 ~ ~10 2 ~ CH 4(g) ~10 1 ~ H 2(g) ~10 1 ~ Uranium-235 (fission) ~10 1 ~800 * 10 8 N.A. Tritium (fusion) avenir ~340 * 10 9 N.A. M. Lacroix Fission nucléaire 36
37 Sources d éd énergie comparées au bois Source Énergie relative (masse) Bois (s) 1 Charbon (s) ~ 2 Diesel et essence (l) ~ 4 CH 4(g) ~ 4.5 H 2(g) ~ 12 Uranium naturel (s) (fission) ~ Uranium-235 (s) (fission) ~ Tritium (plasma) (fusion) ~ M. Lacroix Fission nucléaire 37
38 2. Performance des réacteurs r CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 38
39 3. Canada: plus grandes réserves r d uranium au monde. M. Lacroix Fission nucléaire 39
40 4. Aucune émission de gaz à effet de serre. Centrale nucléaire Gentilly-2 d Hydro-Québec M. Lacroix Fission nucléaire 40
41 Centrale nucléaire vs thermique ENTRÉE CENTRALE SORTIE 1 dé uranium natu. ~1 dé uranium natu. ~ 3000 kwh de chaleur ~ 440 kg charbon ~ 3000 kwh de chaleur ~ 1500 kg CO 2 rejetés dans l atmosphère M. Lacroix Fission nucléaire 41
42 Piscine de combustible usagé M. Lacroix Fission nucléaire 42
43 Cycle du combustible nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 43
44 ÉNERGIE NUCLÉAIRE: INCONVÉNIENTS NIENTS 1. Perception publique. 2. Technologie complexe et coûts d investissements. 3. La radioactivité et les matières toxiques et/ou dangereuses produites. 4. Autres. M. Lacroix Fission nucléaire 44
45 Déchets nucléaires: c est c quoi? 1. Résidus des minerais d uranium. 2. Résidus de faible radioactivité: papiers, chiffons, vêtements, filtres, etc.: incinération. 3. Résidus de radioactivité intermédiaire: matériaux, boues, etc.: traitements et entreposage. 4. Résidus de forte radioactivité: combustible usagé: entreposage pour retraitement. M. Lacroix Fission nucléaire 45
46 Pénétration du rayonnement: Intérêt et dangers M. Lacroix Fission nucléaire 46
47 Plutonium Demi-vie ~ ans; 2. Une des matières créées artificiellement des plus toxiques. M. Lacroix Fission nucléaire 47
48 Césium Demi-vie ~ 30 ans; 2. Chimiquement semblable au potassium! M. Lacroix Fission nucléaire 48
49 Horloge atomique Comité international des poids et mesures Cs-133: Une seconde = vibrations M. Lacroix Fission nucléaire 49
50 Strontium Demi-vie ~ 28.8 ans; 2. Chimiquement semblable au calcium! Sr-97: T ½ ~2.8 heure M. Lacroix Fission nucléaire 50
51 Iode Demi-vie ~ 8 jours; 2. Volatile et hautement actif. M. Lacroix Fission nucléaire 51
52 Traitement médical m de la Thyroïde avec I-131I M. Lacroix Fission nucléaire 52
53 Autres applications du nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 53
54 Conservation des aliments et stérilisation par irradiation Gamma M. Lacroix Fission nucléaire 54
55 Radiographie M. Lacroix Fission nucléaire 55
56 Image par résonance r magnétique M. Lacroix Fission nucléaire 56
57 Tomographie par émission de positrons M. Lacroix Fission nucléaire 57
58 Thérapie au rayonnement M. Lacroix Fission nucléaire 58
59 Activation neutronique Principe Signature unique de chaque élément M. Lacroix Fission nucléaire 59
60 Détecteur de fumée: Am-241 M. Lacroix Fission nucléaire 60
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