CTM08 : Transformations nucléaires 2nde

Act03 – La fusion nucléaire

L’énergie libérée par fusion nucléaire au cœur du Soleil est comparable à celle de un milliard de milliards (1018)

centrales nucléaires. Pour exploiter la fusion nucléaire, on a imaginé ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) qui est un projet international (les plus importants pays membres sont : les pays de l'Union européenne, la Russie, la Chine, les États-Unis, le Japon, l'Inde, la Corée du Sud). Ce projet est conduit en France (début de la construction en 2007 et premier essai prevu en 2025)

Quels sont les points communs entre le soleil et ITER ?

Doc.1 : Réactions nucléaires dans le Soleil . De nombreuses réactions nucléaires se déroulent au cœur du Soleil. Des noyaux légers d’hydrogènes fusionnent pour former des noyaux d’hélium et d’autres particules.

L’équation de la réaction de fusion peut s’écrire : 4 11H

42He + 2

01e

Au cours de cette transformation, 1 g d’hydrogène libère une énergie de 6.1011 J. Le satellite Picard a permis de déterminer les quantités d’énergie parvenant du Soleil en 2014.

Doc.2: ITER, un réacteur pour reproduire l'énergie du Soleil . ITER est un réacteur nucléaire expérimental en construction à Cadarache (Bouches du Rhône) dans le sud de la France. Il doit prouver la faisabilité de la production d’énergie à partir de réactions de fusion nucléaire, comme celles qui se déroulent dans le Soleil. Les simulations montrent qu’il pourrait libérer une énergie de 3.1011 J pendant une période de fonctionnement de 600 s. La réaction de fusion envisagée est celle entre le noyau d'hydrogène 2 (le deutérium) 2

1H et le noyau d'hydrogène 3 (le tritium) 3

1H . Il se forme un noyau d’hélium 4 4

2He et des neutrons 1

0n

.Travail à faire

Q1) Justifier que la réaction de fusion dans le Soleil décrite dans le doc.1 est de nature nucléaire.

Q2) Indiquer le point commun des noyaux utilisés dans le réacteur d’ITER et de ceux impliqués dans la réaction nucléaire du Soleil.

Q3) A l’aide du doc.2, écrire l’équation de la réaction nucléaire se produisant dans le réacteur d’ITER.

Q4) Calculer la masse d’hydrogène consommée dans le Soleil nécessaire pour libérer une quantité d’énergie égale à celle d’ITER (doc.1 et doc.2).

Q5) Comparer les réactions dans le Soleil et dans ITER. Justifier le terme de fusion thermonucléaire.

Q6) Expliquer l’origine de l’énergie libérée par le Soleil et par ITER.

CTM08 : Transformations nucléaires 2nde

Act04 – La fission nucléaire

En 2019, il y a 58 réacteurs nucléaires répartis dans 19 centrales nucléaires en France. Elles fournissent plus de

75% de l’énergie électrique consommée. La matière est du minerai d’uranium qui est transformé afin d’être utilisé

dans ces centrales.

Quelle masse de charbon libérerait autant d’énergie par an que les centrales nucléaires ?

Doc.1 : La fission nuclaire . La fission est la division d’un noyau atomique, sous l’action d’un neutron, en deux noyaux plus légers et avec libération de plusieurs neutrons (en général 2 ou 3). Les noyaux susceptibles de subir la fission sont dits fissiles et contiennent un grand nombre de nucléons (par exemple : uranium 235 , plutonium 239)

Doc.2: La fission de l'uranium .

Une équation possible de fission de l’uranium : 23592 U +

10n

14156 Ba +

9236Kr + 3

10n

L’énergie libérée par un atome d’uranium 235 fissionné est de 2,78 x 1011 J

Doc.3 : Energie libérée dans les centrales nucléaires . La France possède 58 réacteurs à fission sur le territoire et a produit 1,4.1015 J pour l’année 2017 (source EDF) dans ses 19 centrales nucléaires. L’uranium utilisé dans les centrales est enrichi à 3% en uranium 235 par rapport à l’uranium naturel (97% des noyaux d’uranium restants ne sont pas fissiles). La France possède cinq centrales thermiques au charbon où la combustion d’1 kg de charbon libère 4,3.107 J .

Intérieur de la cheminée d'aéro-refroidissement d'une centrale nucléaire

Travail à faire

Q1) Justifier que la réaction suivante est une réaction de fission nucléaire : 23592 U +

10n

9438Sr +

13954 Xe + 3

10n

Q2) Sachant que la masse d’un atome d’uranium 235 est de 3,9.10–22 g, montrer que l’énergie libérée par gramme d’uranium 235 est proche de 7,1.1010 J , d’après le doc.2.

Q3) En réalité, 1 g d’uranium permet la libération de 2,8.109 J dans un réacteur. Calculer le pourcentage d’uranium qui délivre effectivement de l’énergie dans le réacteur d’une centrale nucléaire. Indiquer si ce résultat est cohérent avec le doc.3.

Q4) En vous aidant du doc.3, calculer la masse de charbon nécessaire pour égaler toute l’énergie libérée en 2017 par les centrales nucléaires. Comparer avec la masse d’uranium réellement consommée.

Q5) Expliquer l’origine de l’énergie transformée dans une centrale nucléaire.

CTM08 : Transformations nucléaires 2nde

Corrigé Act03 – La fusion nucléaire

Q1) L’équation de la transformation montre qu’il y a disparition des éléments chimiques hydrogène 1

1H et apparition d'un

nouvel élément chimique 4

2He. De plus, l’énergie mise en jeu est considérable : c'est donc bien une réaction nucléaire.

Q2) Les noyaux 2

1H et 3

1H utilisés dans ITER sont des isotopes de l’hydrogène 1

1H.

Q3) Équation de la transformation nucléaire dans ITER : 21H +

31H

42He +

10n

Les lois de Soddy sont vérifiées : Z = 2+3 = 4+1 et A = 1+1 = 2+0

Q4) Dans ITER, il y a libération de 3.1011

J. Dans le Soleil, 6.1011

J est libérée par gramme d’hydrogène soit le double de

3.1011

J. La quantité d'énergie libérable par ITER est donc la moitié de ce que libérée 1 g d'hydrogène dans le Soleil.

Cela correspond donc à une masse d'hydrogène m = 0,5 g.

Q5) Ce sont deux transformations nucléaires. Des noyaux fusionnent pour former de nouveaux noyaux à très hautes

températures : ce sont donc des réactions de fusion thermonucléaires.

Q6) La fusion de noyaux libère des quantités énormes d’énergie. Au cours d’une fusion, deux petits noyaux s’assemblent

pour en forme un plus gros.

Corrigé Act04 – La fission nucléaire

Q1) Il y a formation de nouveaux noyaux atomiques: le noyau d’uranium se divise en un noyau de strontium et un noyau de xénon.

Q2) 3,9.10–22

g d’uranium 235 libèrent 2,78.10–11

J.

En faisant un produit en croix, on obtient l’énergie libérée par gramme d’uranium égale à : E = 2,78.10

–11

3,9.10–22 = 7,1.10

10 J

Q3) Pourcentage d’uranium qui délivre réellement de l’énergie = 2,8.10

9

7,1.1010 x 100 = 4%

Dans le document 3, il est dit que 97 % de l'Uranium n'est pas fissible donc que 97 % des noyaux d'Uranium ne se

cassent pas (ils ne délivrent pas d'énergie par fission). Nous avons trouvé que 4% se cassaient, la valeur est donc

cohérente avec celle donnée dans le document 3. Non demandé :

Il est nécessaire de n'avoir que 3% de l'Uranium qui peut se casser (qui est fissile) dans un réacteur nucléaire car avec un

pourcentage beaucoup plus élevé (plus de 5-7 %), les réactions nucléaires de fission pourraient ne plus être contrôlées et aboutir

à une explosion nucléaire comme pour une bombe atomique)

Q4) m(charbon) = 1,4.10

15

4,3.107 = 32,5.10

6 kg = 32,5.10

3 tonnes

m(uranium) = 1,4.10

15

2,8.109 = 5,0.105 g = 5,0.10

2 kg = 0,50 tonne

Ainsi 500 kg = 0,5 tonne d'Uranium fournissent autant d'énergie que la combustion de 32 500 tonnes de charbon.

Les réactions nucléaires ne fournissent aucun gaz à effet de serre contrairement au charbon (et à toutes les énergies

fossiles telles que le gaz ou le pétrole) MAIS ces réactions nucléaires forment des éléments radioactifs (les déchets nucléaires) qu'il est nécessaire de garder pendant (suivant les déchets) des dizaines, des centaines ou des milliers

d'années avant qu'ils ne soient plus radioactifs….

Q5) L’énergie transformée dans une centrale nucléaire provient de la fission de noyaux atomiques. Non demandé:

Comme pour toutes les productions d'électricité (à part avec des panneaux photovoltaïque), il est nécessaire de faire tourner un

aimant dans une bobine (un enroulement de fil de cuivre) : il apparait alors aux bornes du fil une tension électrique et des

électrons circulent dans le fil (le courant électrique).

Pour faire tourner cet aimant dans une bobine (contenu dans un alternateur):

L'éolienne se sert du vent qui fait tourner les hélices et donc l'alternateur

Les barrages ou les conduites forcées se servent de l'eau qui tombe sur des pales qui entrainent l'alternateur.

Les centrales thermiques (au pétrole, au gaz ou au charbon) et les centrales nucléaires chauffent de l'eau qui est

transformée en vapeur à très hautes pression qui va entrainer l'alternateur.