FISSION NUCLÉAIRE Marcel Lacroix Université de Sherbrooke
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
TABLEAU PÉRIODIQUE P DES ÉLÉMENTS Dmitry Mendeleyev (1834-1907) Julius Meyer (1830-1895) M. Lacroix Fission nucléaire 3
M. Lacroix Fission nucléaire 4
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
DÉCOUVERTE DES RAYONS X Roentgen en 1895 M. Lacroix Fission nucléaire 6
DÉCOUVERTE DE LA RADIOACTIVITÉ Henri Becquerel en 1896 M. Lacroix Fission nucléaire 7
DÉCOUVERTE DE L ÉL ÉLECTRON John Thompson en 1897 M. Lacroix Fission nucléaire 8
DÉCOUVERTE DU RADIUM Pierre et Marie Curie en 1905 M. Lacroix Fission nucléaire 9
DÉCOUVERTE DU NOYAU Ernest Rutherford en 1911 M. Lacroix Fission nucléaire 10
DÉCOUVERTE DU NEUTRON James Chadwick en 1932 M. Lacroix Fission nucléaire 11
RÉACTION DE FISSION EN CHAÎNE Meitner et Hahn en 1940 M. Lacroix Fission nucléaire 12
Fission U-235U M. Lacroix Fission nucléaire 13
PREMIÈRE RÉACTION R EN CHAÎNE CONTRÔLÉE Enrico Fermi en 1942 M. Lacroix Fission nucléaire 14
RADIOACTIVITÉ ET NOYAU 3. L atome est constitué d un noyau ~ 10-15 m, renfermant des protons et des neutrons, entouré d un nuage d électrons ~ 10-10 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
RÉACTION CHIMIQUE VERSUS NUCLÉAIRE rnoyau 5 nucléaire 6 r atome ~ 10 E E atomique ~ 10 M. Lacroix Fission nucléaire 16
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- 235. 7. Réacteurs CANDU (CANadian Deuterium Uranium), le combustible UO 2 est naturel. M. Lacroix Fission nucléaire 17
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
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 (1791-1867) 1867) M. Lacroix Fission nucléaire 19
M. Lacroix Fission nucléaire 20
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
Centrale nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 22
Pressurized Water Reactor (PWR) M. Lacroix Fission nucléaire 23
CANadian Deuterium Uranium (CANDU) M. Lacroix Fission nucléaire 24
Réacteur CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 25
CENTRALE NUCLÉAIRE CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 26
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
CALANDRE CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 28
Centrale nucléaire CANDU (600-950 MWe) M. Lacroix Fission nucléaire 29
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
Cœur du réacteur nucléaire CANDU 360 tubes de force. Chaque tube contient 12 grappes de combustible de 22 kg chacune. 31
Circuit primaire et circuit du modérateur CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 32
M. Lacroix Fission nucléaire 33
Tour de refroidissement M. Lacroix Fission nucléaire 34
ÉNERGIE NUCLÉAIRE: AVANTAGES M. Lacroix Fission nucléaire 35
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 ~ 12 000 9.00 ~10 3 ~ 24 000 1.63 ~10 2 ~ 47 000 0.46 ~10 2 ~ 48 000 0.44 CH 4(g) ~10 1 ~ 55 000 0.25 H 2(g) ~10 1 ~ 141 000 0.00 Uranium-235 (fission) ~10 1 ~800 * 10 8 N.A. Tritium (fusion) avenir ~340 * 10 9 N.A. M. Lacroix Fission nucléaire 36
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) ~47 000 Uranium-235 (s) (fission) ~6 600 000 Tritium (plasma) (fusion) ~28 000 000 M. Lacroix Fission nucléaire 37
2. Performance des réacteurs r CANDU M. Lacroix Fission nucléaire 38
3. Canada: plus grandes réserves r d uranium au monde. M. Lacroix Fission nucléaire 39
4. Aucune émission de gaz à effet de serre. Centrale nucléaire Gentilly-2 d Hydro-Québec M. Lacroix Fission nucléaire 40
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
Piscine de combustible usagé M. Lacroix Fission nucléaire 42
Cycle du combustible nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 43
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
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
Pénétration du rayonnement: Intérêt et dangers M. Lacroix Fission nucléaire 46
Plutonium-239 1. Demi-vie ~ 24400 ans; 2. Une des matières créées artificiellement des plus toxiques. M. Lacroix Fission nucléaire 47
Césium-137 1. Demi-vie ~ 30 ans; 2. Chimiquement semblable au potassium! M. Lacroix Fission nucléaire 48
Horloge atomique Comité international des poids et mesures Cs-133: Une seconde = 9 191 631 770 vibrations M. Lacroix Fission nucléaire 49
Strontium-90 1. Demi-vie ~ 28.8 ans; 2. Chimiquement semblable au calcium! Sr-97: T ½ ~2.8 heure M. Lacroix Fission nucléaire 50
Iode-131 1. Demi-vie ~ 8 jours; 2. Volatile et hautement actif. M. Lacroix Fission nucléaire 51
Traitement médical m de la Thyroïde avec I-131I M. Lacroix Fission nucléaire 52
Autres applications du nucléaire M. Lacroix Fission nucléaire 53
Conservation des aliments et stérilisation par irradiation Gamma M. Lacroix Fission nucléaire 54
Radiographie M. Lacroix Fission nucléaire 55
Image par résonance r magnétique M. Lacroix Fission nucléaire 56
Tomographie par émission de positrons M. Lacroix Fission nucléaire 57
Thérapie au rayonnement M. Lacroix Fission nucléaire 58
Activation neutronique Principe Signature unique de chaque élément M. Lacroix Fission nucléaire 59
Détecteur de fumée: Am-241 M. Lacroix Fission nucléaire 60