Activité 1 : Centrales thermiques et impact de l exploitation des ressources énergétiques

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1 Activité 1 : Centrales thermiques et impact de l exploitation des ressources énergétiques Objectifs : Identifier les différentes formes d énergie intervenant dans une centrale thermique à combustible fossile ou nucléaire. Interpréter l équation d une réaction nucléaire en utilisant la notation symbolique du noyau À partir d exemples donnés d équations de réactions nucléaires, distinguer fission et fusion. Rechercher et exploiter des informations pour comprendre la problématique de la gestion des déchets radioactifs. Analyser une courbe de décroissance radioactive. Faire preuve d'esprit critique : discuter des avantages et des inconvénients de l'exploitation d'une ressource énergétique, y compris en terme d'empreinte environnementale. I Centrale thermique 1 / Centrale thermique à combustible fossile Dans une centrale thermique à flamme, on brûle un combustible fossile, comme du charbon, du pétrole sous forme de fioul ou du méthane, la réaction chimique qui se produit se nomme une combustion Document 1 : Combustion Une combustion est une transformation chimique au cours de laquelle une substance brûle. Cette transformation chimique nécessite toujours deux réactifs : un combustible et un comburant. Dans une centrale thermique à flamme les combustibles peuvent être : Le méthane de formule brute : Le propane Butane Ethanol Le comburant est le dioxygène présent dans l air. Les produits de la réaction complète sont le dioxyde de carbone et l eau. Document 2 : Ecrire une équation de réaction avec des nombres stœchiométriques corrects Etapes Exemple de la combustion de l éthanol Ecrire les formules brutes des réactifs et des Equation de combustion : produits de part et d autre de la flèche symbolisant le sens de la transformation chimiques Dénombrer les éléments chimiques présents Ajustement de l élément carbone dans les réactifs et les produits. Ajuster le 2 nombre stœchiométrique afin de respecter la loi de conservation des éléments chimiques Ajustement de l élément hydrogène On compte le nombre de carbone côté 2 3 réactif et on ajuste côté produit On compte le nombre d hydrogène Ajustement de l élément oxygène côté réactif et on ajuste côté produit On compte le nombre d oxygène côté produit et on ajuste côté réactif Pour vous aider à comprendre le principe de conservation de des éléments chimiques vous pouvez utiliser avec votre smartphone l animation suivante : 1

2 1 / Ecrire les formules brutes du dioxyde de carbone est de l eau., 2 / Ecrire les réactions de combustion complète du méthane, du propane, du butane / Centrale thermique à combustible nucléaire Contrairement à une réaction chimique, une réaction nucléaire modifie le noyau des atomes. Les réactions de fusion et de fission nucléaires sont les deux grandes catégories de réactions nucléaires. Elles produisent énormément d énergie. Document 3 : Réaction de fission Lors d une réaction de fission nucléaire un noyau atomique se scinde en plusieurs parties. De l énergie est alors libérée. Exemple : "! sous l impact d un neutron un noyau d uranium! se scinde en un noyau de xénon "# et en un noyau de strontium! $% et libère trois neutrons. Cette transformation peut être modélisée par l équation de réaction nucléaire suivante : "! #! $% 3! " Document 4 : Réaction de fusion Lors d une réaction de fusion nucléaire deux noyaux atomiques fusionnent pour en former qu un. Il y a ainsi libération d énergie. Exemple : Un noyau deutérium et d un noyau de tritium fusionnent pour donner pour former un noyau d hélium # et libérer un neutron. Cette transformation peut être modélisée par l équation de réaction nucléaire suivante : # Document 5 : Conservation lors de réaction nucléaire Les équations de réactions nucléaires contrairement aux équations de réactions chimiques, ne respectent pas les lois de conservations des éléments. En revanche le nombre de nucléons, le nombre de protons et la charge électrique sont conservés. 1 / Quel lien y-a-t-il entre les noyaux de deutérium et de tritium? Il sont isotopes même Z mais pas le même A. 2 / Compléter les chaines énergétiques suivantes : Dans une centrale thermique à combustible fossile Générateur de vapeur 2

3 Dans une centrale thermique à combustible nucléaire Réacteur 3 / Justifier que les deux équations nucléaires évoquées dans les documents 3 et 4 respectent bien les lois de conservation énoncées dans le document 5. Au total du côté des réactifs on a 5 neutrons et 2 protons Au total du côté des produits on a 5 neutrons et 2 protons 4 / Une centrale nucléaire est constituée de deux réacteurs produisant chacun une puissance électrique maximale de 1,30&10 '(. Montrez qu une telle centrale peut produire en un an une énergie thermique maximale supérieure à 23&10 '(). La puissance que fournit au totale les deux réacteurs est de : *+1,30&10 '(+2,60&10 '( Calcul de l énergie On sait que -+*. 0 0 doit être en heure et correspond à la durée en heure d une année car on cherche l énergie que la centrale peut produire en un an 0+365& ) Il y a 8760 ) dans 1 an. -+2,60& &10 '() II Impact de l exploitation des ressources énergétiques 1 / Effet de serre Document 1 : L effet de serre L effet de serre est un phénomène naturel lié à la présence dans l atmosphère de gaz qui permettent à la Terre de garder une température moyenne de 15 C. Sans lui, cette température serait de -18 C, ce qui n aurait pas permis le développement de la vie. La plus grande partie du rayonnement solaire traverse l atmosphère pour réchauffer la surface du globe, puis la Terre, à son tour, réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (GES) piègent une partie de ce rayonnement et le renvoient vers la surface de la Terre. En agissant de manière analogue aux vitres d une serre, les GES réchauffent l atmosphère. L utilisation importante de combustibles fossiles depuis le début de l ère industrielle a engendré une forte augmentation des rejets de dioxyde de carbone dans l atmosphère. Ces rejets ont eu pour conséquence d amplifier l effet de serre. Lors de son extraction une partie non négligeable (environ 4%) du gaz de schiste (essentiellement du méthane de formule ) extrait s'échappe dans l'atmosphère à cause de fuites. L augmentation de cet effet de serre provoque : une élévation de la température de la planète, une évaporation plus importante de l eau de mer, une fonte accélérée des glaciers, qui conduit à une augmentation du niveau de la mer et à une inondation des régions côtières. Animation sur l effet de Serre : 1 / Quel est le principe de fonctionnement d une serre? 3

4 La plus grande partie du rayonnement solaire traverse l atmosphère pour réchauffer la surface du globe, puis la Terre, à son tour, réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (GES) piègent une partie de ce rayonnement et le renvoient vers la surface de la Terre. En agissant de manière analogue aux vitres d une serre, les GES réchauffent l atmosphère. 2 / Pourquoi la production d électricité augmente-t-elle la quantité de GES dans l atmosphère? La production d électricité est génératrice de CO 2 qui est un gaz à effet de Serre. 3 / Comment diminuer l effet de serre dû aux activités humaines? Utiliser des sources d énergie recouvrable comme l éolien ou le solaire 4 / Quels gaz accentuent l effet de serre? Le CO 2 et le CH 4 d après l animation. «Le gaz de schiste est considéré comme un Gaz à Effet de Serre (GES), aussi bien lors de son exploitation que lors de son utilisation (combustion)». 5 / Justifier l affirmation précédente en vous appuyant sur les documents et sur vos connaissances (vous illustrerez votre réponse en donnant notamment une équation de réaction chimique). Lors de son extraction une partie du gaz de schiste s échappe dans l atmosphère or celui-ci est composé de CH 4 et participe à l effet de serre. L équation de combustion du méthane CH 4 est : 2 2 La combustion du méthane produit du dioxyde de carbone qui est aussi un GES. Ainsi Le gaz de schiste est considéré comme un Gaz à Effet de Serre (GES), aussi bien lors de son exploitation que lors de son utilisation (combustion) 4

5 2 / Déchets radioactifs Document 2 : Activité nucléaire Les réacteurs nucléaires transforment l uranium 235 en plusieurs éléments instables, comme le radium 222 qui subissent à leur tour des transformations nucléaires spontanées. Ces nouvelles transformations génèrent l émission de particules dangereuses pour la santé car elles réagissent en particulier avec la molécule d ADN. L 'évolution de la dangerosité d un échantillon radioactif peut se faire par la mesure de son activité définit comme le nombre de noyau transformés par seconde. Elle s exprime en Becquerel. Cette activité décroit avec le temps. La vitesse de cette décroissance est évaluée par la demi-vie de l échantillon radioactif, durée nécessaire pour son activité soit divisé par deux. Document 3 : La décroissance radioactive On dispose de deux échantillons : un échantillon A : 100 mg d atomes d iode 131 et un échantillon B : 100m mg d atome d uranium 235. Chacun de ces atomes est radioactif, on suit l évolution de leur masse en fonction du temps : Graphique A : évolution de la masse d iode 131 en fonction du temps. Graphique B : évolution de la masse d uranium 235 en fonction du temps. Document 4 : Gestion des déchets nucléaires Regarder la vidéo suivante : 1 / Donner la demi-vie de l iode 131 et de l uranium 235. La demi-vie de l iode 131 est de 8 jours alors que celle de l uranium est de 4,5 milliard d années. 2 / Selon quels critères sont classés les déchets radioactifs? Les déchets à très faible activité TFA : Les déchets de faible et moyenne activité FA et MA: Origine Déconstruction centrale (béton Exploitation (gants, ) gravât) Type de conditionnement Sac ou fut Fut métallique Type de stockage Alvéole Ouvrage en béton Organisme chargé de la gestion de ces déchets L ANDRA L andra 5

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