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Le défi énergétique Chapitre 6 Energie : conversion, transport et stockage Thème : Activités humaines et besoins en énergie AD1-12/03/2018 1 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. Activité 1 : Centrales thermiques et impact de l’exploitation des ressources énergétiques 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 produits de part et d’autre de la flèche symbolisant le sens de la transformation chimiques Equation de combustion : Dénombrer les éléments chimiques présents dans les réactifs et les produits. Ajuster le nombre stœchiométrique afin de respecter la loi de conservation des éléments chimiques On compte le nombre de carbone côté réactif et on ajuste côté produit On compte le nombre d’hydrogène côté réactif et on ajuste côté produit On compte le nombre d’oxygène côté produit et on ajuste côté réactif Ajustement de l’élément carbone 2 Ajustement de l’élément hydrogène 2 3 Ajustement de l’élément oxygène 3 2 3 Pour vous aider à comprendre le principe de conservation de des éléments chimiques vous pouvez utiliser avec votre smartphone l’animation suivante : http://seconde-loges.pagesperso-orange.fr/equation.html

AD1-Centrales thermiques et impact de l'exploitation … · Activité 1 : Centrales thermiques et impact de l’exploitation des ressources énergétiques ... L’équation de combustion

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Le défi énergétique Chapitre 6 ∶ Energie : conversion, transport et stockage Thème : Activités humaines et besoins en énergie AD1-12/03/2018

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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.

Activité 1 : Centrales thermiques et impact de l’exploitation des

ressources énergétiques

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 produits de part et d’autre de la flèche symbolisant le sens de la transformation chimiques

Equation de combustion :

…��� ���� �…����� →…������ �…������

Dénombrer les éléments chimiques présents dans les réactifs et les produits. Ajuster le nombre stœchiométrique afin de respecter la loi de conservation des éléments chimiques

On compte le nombre de carbone côté réactif et on ajuste côté produit

On compte le nombre d’hydrogène côté réactif et on ajuste côté produit

On compte le nombre d’oxygène côté produit et on ajuste côté réactif

Ajustement de l’élément carbone …��� ���� �…����� → 2������ �…������

Ajustement de l’élément hydrogène

…��� ���� �…����� → 2������ � 3������

Ajustement de l’élément oxygène ��� ���� � 3����� → 2������ � 3������

Pour vous aider à comprendre le principe de conservation de des éléments chimiques vous pouvez utiliser

avec votre smartphone l’animation suivante : http://seconde-loges.pagesperso-orange.fr/equation.html

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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.

��� � 2����� → ������ � 2������

��� � 5����� → 3������ � 4������

���� �13

2����� → 4������ � 5������

2���� � 13����� → 8������ � 10������

2°/ 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.

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

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.

Générateur

de vapeur

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Dans une centrale thermique à combustible nucléaire

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 & 24 + 8760)

Il y a 8760) dans 1 an.

- + 2,60 & 10�. 8760 + 23 & 10 '()

II Impact de l’exploitation des ressources énergétiques

1°/ Effet de serre

1°/ Quel est le principe de fonctionnement d’une 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 : http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/climat-

environnement/effet-de-serre.aspx

Réacteur

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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 CO2 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 CO2 et le CH4 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 CH4 et participe à l’effet de serre.

L’équation de combustion du méthane CH4 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)

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2°/ Déchets radioactifs

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 gravât)

Exploitation (gants,…)

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

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 : https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=aASX0x2y7cE

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