Energie nucléaire. Quelques éléments de physique

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1 Energie nucléaire Quelques éléments de physique

2 Comment produire 1 GW électrique Nucléaire (rendement 33%) Thermique (38%) Hydraulique (85%) Solaire (10%) Vent : 27t d uranium par an : 170 t de fuel par heure (260 t de charbon) : 1200 t d eau par seconde chutant de 100 m : 30 km 2 de panneaux : éoliennes (de 3 MW)

3 Relation masse-énergie Relativité restreinte (Einstein 1905): Système de masse m possède au repos une énergie: E=mc 2 S il y a des échanges avec l extérieur (au repos): DE=Dm c 2 Si Dm <0, le système fournit de l énergie Si Dm >0, le système reçoit de l énergie c gigantesque ( km/s)!!!

4 Défaut de masse

5 Défaut de masse d un noyau Expérience: masse d un noyau < somme des masses de ses constituants (neutrons et protons): D m = m noyau - Z m p N m n Energie de liaison: énergie qu il faut fournir pour séparer un noyau en ses constituants: E B = D m c 2 Energie de liaison par constituant: E B /A A=N+Z

6 Energie de liaison La masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants: Défaut de masse = (Z M p + N M n ) - M noyau (Rappel: noyau = A nucléons dont Z protons et N neutrons) Formation du noyau à partir de ses constituants (neutrons et protons): qu'est devenu cette masse manquante? Libérée sous forme d'énergie E = m c 2 Energie de liaison du noyau = c 2 [(Z M p + N M n ) - M noyau ] C'est aussi l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le briser en ses constituants (neutrons et protons).

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8 Energie de liaison par particule en MeV Fusion Fission

9 E/A Exemples 2 H (deuton): 1.1 MeV 3 H (tritium): 2.8 MeV Fusion 3 He : 2.6 MeV 4 He : 7.07 MeV 58 Fe : MeV 62 Ni : MeV 235 U : MeV Fission

10 3, J/Kg 8, J/Kg

11 Fusion nucléaire Réaction la plus favorable: fusion des deux isotopes lourds de l hydrogène

12 Problème: il faut rapprocher deux noyaux chargés positivement Il faut les porter à très haute température!

13 Dans le soleil Réactions de fusion en 3 étapes: centre du soleil (0.2 R S ) énorme T et pression (gravité et masse du soleil)

14 Sur terre: ITER Autre réaction (d+t) plus favorable (fusion plus probable des deux noyau) Il faut : - haute température (10 8 K): l hydrogène forme un plasma (plus de nuage d électrons) température atteinte grâce à des lasers ou des champs magnétiques - haute pression: distances entre les H ~ m réalisé grâce à des champs magnétiques intenses

15 Réactions de fusion Deutérium très abondant (dans l eau, 1 molécule /5000) Durée de vie du tritium: 10 ans -> pas de t naturel sur terre Peut être produit dans le réacteur grâce à une couverture de 6 Li qui entoure le plasma (7.4% du Li naturel, relativement abondant) Autre possibilité: n rapides qui brisent le 7 Li: n (rapide) + 7 3Li -> 3 H+ 4 2He + n (lent)

16 Conditions pour la fusion Il faut produire plus d énergie que celle nécessaire à l ignition de la fusion (création d un plasma) Critère de Lawson: valeur minimale pour le produit: temps de confinement (t ) X densité du plasma (n) pour une température donnée. d+t n t > s/cm 3 d+d n t > s/cm 3

17 Production d électricité 1: injection des réactifs dans plasma 2: production de cendres (4He) et d énergie (particules chargées et neutrons) 3: récupération d énergie dans 1ière paroi 4: couverture: récupération de la chaleur - tritigène 5: production d électricité

18 Fusion : Energie du futur?? Combustion Chimique Nucléaire Fission Réaction C+0 2 =>CO U + n => PF + 2,3n Combustible Charbon UO2 (3% 235 U) Nucléaire Fusion D + T=> 4 He + n D + Li T typique J/Kg 3, , , Réserves (An) (Surgénérateur) 10 9? D+D 300 l H 2 0 = 1gD

19 Consommation et production de déchets journalières 1GW Carburant Centrale thermique Charbon 9000 T Centrale à Fusion D-T 0,5 Kg D 2 1,5 Kg 6Li (0,75 Kg T 2 ) Déchets T CO 2 600T SO 2 2 Kg 4 He 80 T NO 2

20 Fusion : Avantages +++ # combustibles abondants et géographiquement répartis # si D-T (Li ) 2000 ans ; qlqs 10 6 ans Li ds eau de mer (coût?) si D-D 10 9 ans mais T > 100 KeV # emballement impossible # pas de gaz à effet de serre, pas de pollution atmosphérique # pas de déchets radioactifs directs ( 4 He)

21 Fusion : Inconvénients # irradiation n => choix des matériaux constitutifs est important risque de radioactivité des matériaux du réacteur démantèlement # défis technologiques # fuite de tritium

22 Agenda ITER: début d opérations en 2018 mais fusion d+ t en MW, coût de construction 6G, opération 5 G sur 20 ans DEMO: début de construction en 2020? énergie de fusion de 2 GW production d électricité de quelques centaines de MW PROTO, prototype industriel en opération vers 2050