Partie Défi énergétiques

Utilisation des ressources énergétiques disponibles

Compétences exigibles : Utiliser la représentation symbolique AZX pour distinguer des isotopes Interpréter l’équation d’une réaction nucléaire en utilisant la notation symbolique A

ZX A partir d’exemples donnés d’équations de réactions nucléaires, distinguer fission et fusion

Exploiter les informations d’un document pour comparer : - les énergies mises en jeu dans des réactions nucléaires et dans des réactions chimiques - l’utilisation de différentes sources d’énergie

Le Soleil, siège de réactions nucléaires Analyser une courbe de décroissance radioactive La problématique de la gestion des déchets radioactifs

I. Constitution du noyau d’un atome http://www.cea.fr/content/download/3793/298472/file/atome%5B1%5D.swf A l’aide de vos connaissances et de l’animation compléter le texte L’atome est formé d’un noyau et d’électrons qui gravitent autour. Le noyau est chargé positivement , les électrons négativement. L’atome est électriquement neutre. . Le noyau renferme des protons et des neutrons… qui ont des masses voisines. Les protons et les neutrons sont appelés les nucléons Z, numéro atomique , correspond au nombre de protons contenus dans le noyau. A, le nombre de masse, correspond au nombre de nucléons contenus dans le noyau. Le nombre de neutrons contenus dans le noyau s’obtient par soustraction ; il vaut A-Z Un élément chimique est constitué par des nucléides de même numéro atomique Z. Un nucléide regroupe un ensemble d’atomes possédant des noyaux identiques. Il est caractérisé par les deux nombres A et Z On le note … A

ZX ……… où X est le symbole de l’ atome…correspondant. On appelle …isotope… des nucléides qui ont même Z mais qui diffèrent par leur valeur de A.

Exemple : C126 C13

6 C146

Exemples : Un atome de potassium (K) possède 19 électrons et 20 neutrons.

1) Donner son numéro atomique ou nombre de charge Z .Z=19 2) Combien de nucléons comporte cet atome ? En déduire son nombre de masse A. A=N+Z=20+19 =39 3) Donner le symbole du nucléide correspondant. 39

19K 4) Donner la composition du noyau de l’ion potassium +K correspondant au nucléide précédent.

Protons Z=19 Neutrons N =20 A =39 Autour du noyau 18 électrons 5) Parmi les nucléides présentés ci-dessous, identifier les isotopes :même Z mais A différent

U23592 ; Co 57

27 ; S 3216 ; U234

92 ; P 3215 ; Pu 238

94 ; U23892 .

Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables, ce qui est dû soit à un excès de protons ou de neutrons, soit à un excès des deux. Ils sont dits RADIOACTIFS

II. La radioactivité

1) Présentation

En 1896, le physicien français Henri Becquerel (1852-1908) avait rangé sa plaque photographique près de sels d'uranium qu'il était en train d'étudier. Quelle ne fut pas sa surprise quand il s’aperçut que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière ! Il en déduit que l'uranium émettait des rayonnements invisibles ressemblant aux rayons X découverts, l’année précédente, par Wilhelm Roentgen, physicien allemand, et découvre ainsi la radioactivité.

Les noyaux d'atomes radioactifs se transforment spotanemment. (aucune intervention extérieure) en d'autres noyaux d'atomes, radioactifs ou non. Cette transformation d'un atome radioactif en un autre atome est appelée …transformation ou réaction nucléaire….. Elle s'accompagne d'une émission de différents types de rayonnement Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s'accompagne d'un dégagement d’énergie appelée alors énergie nucléaire Un échantillon radioactif se caractérise par son activité.. qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs par seconde qui se produisent en son sein. L'unité d'activité est le Becquerel, de symbole.. Bq …..(1 Bq = 1 désintégration par seconde). (Une autre unité utilisée est le Sievert, de symbole Sv, qui permet d’évaluer les effets biologiques des rayonnements d’origine naturelle ou artificielle sur l’homme, en fonction du type de rayonnement.)

2) Les trois familles de rayonnement.

La désintégration radioactive peut donner lieu à trois types de rayonnements♦ Les rayons alpha α.. formés de noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons).♦ Les rayons béta.β- formés d'électrons et les rayons ♦ Les rayons gamma…γ.. , rayonnements électromagnétiques

énergétiques.

Comment peut-on se protéger de chaque type de rayonnement

**Le rayonnement α peut traverser quelques centimètres d’air et être absorbé par quelques mi**Le rayonnement β peut traverser quelques dizaines de centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres d’aluminium. **Le rayonnement γ peut traverser plusieurs centimètres de plomb ou bien plusieurs mètres de béton 3) Quelle est la durée de vie d’un échantillon radioactif

La décroissance radioactiveL'activité d'un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient. La désintégration radioactive d'un noyau donné est un aléatoire : il est impossible de prédire à quel moment uinstable va se transformer. Mais lorsque l'on considère un ensemble d'atomes d’un même élément, le rythme de transformation des atomes est statistiquement mesurable. On obtient décroissance radioactive…. ci –contre.

La période radioactive

La période radioactive est le temps au bout duquel transformation spontanée. La valeur de la période radioactive est extrêmement variable d’un élément à l’autre

Radioélément U235 239

Période 4,5.109 ans 24300 ans

Exercice Les noyaux radioactifs sont des chronomètres naturels qui fonctionnent comme de vraies machines à remonter le temps. Toutes lméthodes de datation sont fondées sur un principe simple : la décroissance progressive de la radioactivité contenue dans les que l'on veut dater. Grâce à des isotopes comme le carbone 14, on peut remonter jusqu'à l'atmosphère est constitué de carbone 12 stable, et d'une très faible quantité de carbone 14 dont on connait la période radioLes organismes vivants, les animaux en respirant, les végétaux par la photosynthèse, échangent sans cesse du carbone 14, proddans la haute atmosphère, avec le milieu extérieur. A leur mort, l'échange de carbone 14 cesse mais il continu à se désintl'intérieur de l'organisme. Progressivement, la teneur en carbone 14 va donc baisser. En faisant le rapport quantité de carboquantité de carbone 12, on peut alors dater la mort d'un organisme. Moins il reste de carbone 14 dans l'échantillmort est ancienne. Cette méthode a démontré que la grotte Cosquer découverte en 1991 dans les calanques de Marseille, avait éfréquentée à deux périodes successives : les peintures de mains sont estimées à environ 27000 ans; celles 10000 ans plus tard.

Les trois familles de rayonnement.

désintégration radioactive peut donner lieu à trois types de rayonnements : formés de noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons).

formés d'électrons et les rayons … β+….. formés de positrons. , rayonnements électromagnétiques, de même que la lumière, mais beaucoup plus

on se protéger de chaque type de rayonnement ?

peut traverser quelques centimètres d’air et être absorbé par quelques mipeut traverser quelques dizaines de centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres

peut traverser plusieurs centaines de mètres d’air et n’est absorbé que par quelques dizaines de centimètres de plomb ou bien plusieurs mètres de béton !

Quelle est la durée de vie d’un échantillon radioactif ?

La décroissance radioactive L'activité d'un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient. La désintégration radioactive d'un noyau donné est un phénomène

prédire à quel moment un atome instable va se transformer. Mais lorsque l'on considère un ensemble d'atomes d’un même élément, le rythme de transformation des atomes est statistiquement mesurable. On obtient la courbe de

La période radioactive est le temps au bout duquel la moitié. des atomes radioactifs initialement présents a disparu par

La valeur de la période radioactive est extrêmement variable d’un élément à l’autre :

Pu239 Cs137 Co57 I131 234

24300 ans 30 ans 270 jours 8 jours

Les noyaux radioactifs sont des chronomètres naturels qui fonctionnent comme de vraies machines à remonter le temps. Toutes lméthodes de datation sont fondées sur un principe simple : la décroissance progressive de la radioactivité contenue dans les que l'on veut dater. Grâce à des isotopes comme le carbone 14, on peut remonter jusqu'à -40000 ans. Le carbone présent dans l'atmosphère est constitué de carbone 12 stable, et d'une très faible quantité de carbone 14 dont on connait la période radioLes organismes vivants, les animaux en respirant, les végétaux par la photosynthèse, échangent sans cesse du carbone 14, proddans la haute atmosphère, avec le milieu extérieur. A leur mort, l'échange de carbone 14 cesse mais il continu à se désintl'intérieur de l'organisme. Progressivement, la teneur en carbone 14 va donc baisser. En faisant le rapport quantité de carboquantité de carbone 12, on peut alors dater la mort d'un organisme. Moins il reste de carbone 14 dans l'échantillmort est ancienne. Cette méthode a démontré que la grotte Cosquer découverte en 1991 dans les calanques de Marseille, avait éfréquentée à deux périodes successives : les peintures de mains sont estimées à environ 27000 ans; celles

8 16 24

m(10ª³ µg)

125

250

375

500

625

750

875

1000

de même que la lumière, mais beaucoup plus

peut traverser quelques centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres de papier. peut traverser quelques dizaines de centimètres d’air et être absorbé par quelques millimètres

absorbé que par quelques dizaines de

des atomes radioactifs initialement présents a disparu par

Th234 Po212

1,05 s 3.10-7 s

Les noyaux radioactifs sont des chronomètres naturels qui fonctionnent comme de vraies machines à remonter le temps. Toutes les méthodes de datation sont fondées sur un principe simple : la décroissance progressive de la radioactivité contenue dans les objets

40000 ans. Le carbone présent dans l'atmosphère est constitué de carbone 12 stable, et d'une très faible quantité de carbone 14 dont on connait la période radioactive. Les organismes vivants, les animaux en respirant, les végétaux par la photosynthèse, échangent sans cesse du carbone 14, produit dans la haute atmosphère, avec le milieu extérieur. A leur mort, l'échange de carbone 14 cesse mais il continu à se désintégrer à l'intérieur de l'organisme. Progressivement, la teneur en carbone 14 va donc baisser. En faisant le rapport quantité de carbone 14 sur quantité de carbone 12, on peut alors dater la mort d'un organisme. Moins il reste de carbone 14 dans l'échantillon à dater et plus la mort est ancienne. Cette méthode a démontré que la grotte Cosquer découverte en 1991 dans les calanques de Marseille, avait été fréquentée à deux périodes successives : les peintures de mains sont estimées à environ 27000 ans; celles d'animaux ont été réalisées

(jours)t32 40 48 56 64 72

Quelle est la periode du carbone 14 ?............................................................................................................................. III. Que se passe-t-il dans le réacteur d’une centrale nucléaire

1) La réaction de fission.

C’est grâce à l’uranium, un métal relativement abondant dans l’écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires.L’uranium 235 est le seul atome à l’état naturel dont le noyau se brise en deux noyaux plus petits sous l’effet d’un bombardement de neutron. Cette transformation est une réaction nucléaire provoquée que l’on appelleLa réaction de fission. ; on dit que l’uranium 235 est fissile.

Les neutrons libérés lors de la fission sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau d’uranium. La réaction nucléaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche.La réaction de fission est donc une réaction en chaineL’énergie dégagée devient alors très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosionc’est ce qui se produit dans une bombe atomique.Dans le cœur de la centrale, on maîtrise la réaction en capturant les neutrons excédentaires à l’aide …….. ………………que l’on enfonce plus ou moins dans le réacteur. De cette manière, on peut même arrêter la centr IV Réaction de fusion : reproduire l’énergie du Soleil

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réacteur d’une centrale nucléaire ?

, un métal relativement abondant dans l’écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires.L’uranium 235 est le seul atome à l’état naturel dont le noyau se brise en deux noyaux plus petits sous l’effet d’un

. Cette transformation est une réaction nucléaire provoquée que l’on appellen dit que l’uranium 235 est fissile.

La fission dégage de l’énergieégalement un, deux ou trois neutrons et s’accompagne de rayonnements Note : 1 gramme d'Uranium 235 que la combustion de 2,4 tonnes de charbon ou 1,6 tonne de pétrole !

2) Pourquoi faut-il contrôler la fission

Les neutrons libérés lors de la fission sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau nucléaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche.

réaction en chaine L’énergie dégagée devient alors très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosion

dans une bombe atomique. Dans le cœur de la centrale, on maîtrise la réaction en capturant les neutrons excédentaires à l’aide

que l’on enfonce plus ou moins dans le réacteur. De cette manière, on peut même arrêter la centr

: reproduire l’énergie du Soleil

Une réaction de fusion nucléaire produit, à partir de deux noyaux légers, un noyau lourd. Dans la nature par exemple au cœur d’une étoile, ces réactions se produisent à très haute température et dégagent de l’énergie. Mais elles sont difficiles à reproduire car il faut approcheont tendance à se repousser. Dans le soleil, des réactions de fusion nucléaire transforment totalement l’hydrogène en hélium. Une partie de la chaleur dégagée par la réaction parvient sur terre sous forme de rayonnement.

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, un métal relativement abondant dans l’écorce terrestre, que fonctionnent les centrales nucléaires. L’uranium 235 est le seul atome à l’état naturel dont le noyau se brise en deux noyaux plus petits sous l’effet d’un

. Cette transformation est une réaction nucléaire provoquée que l’on appelle

l’énergie Cette réaction libère également un, deux ou trois neutrons et s’accompagne

1 gramme d'Uranium 235 fournit autant d'énergie de 2,4 tonnes de charbon ou 1,6 tonne de

il contrôler la fission ?

Les neutrons libérés lors de la fission sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau

L’énergie dégagée devient alors très vite considérable. Sans précautions, la réaction en chaîne conduit à une explosion :

Dans le cœur de la centrale, on maîtrise la réaction en capturant les neutrons excédentaires à l’aide de barre de graphite que l’on enfonce plus ou moins dans le réacteur. De cette manière, on peut même arrêter la centrale

nucléaire produit, à partir de deux noyaux légers, un noyau lourd. Dans la nature par exemple au cœur d’une étoile, ces réactions se produisent à très haute température et dégagent de l’énergie. Mais elles sont difficiles à reproduire car il faut approcher deux noyaux qui

Dans le soleil, des réactions de fusion nucléaire transforment . Une partie de la chaleur

dégagée par la réaction parvient sur terre sous forme de

Cf. manuel p 214 V. Sécurité – radioprotection et gestion des déchets

1) Radioprotection

Nous avons vu que la réaction de fission était accompagnée d’une émission de dont il faut se protéger. (Peu de temps après la découverte de la radioactivité, Becquerel s’aperçut qu’un tube de matière radioactive, gardé dans la poche de sa veste, avait provoqué une brûlure comparable à un coup de soleilLes conséquences biologiques d’une exposition aux rayonnements radu rayonnement, de la nature des tissus atteints et de l’importance du volume corporel touché. Les expositions aux rayonnements peuvent entraîner des dommages du type

� cancers ; les organes les plus sensibles sont le sang, les seins pour les femmes et la thyroïde pour les enfants.� dégradation du patrimoine génétique, d’où

La protection proprement dite est basée sur des*par le temps : on limite la durée d’exposition,*par la distance : si nous nous éloignons de la *par des écrans : on recherche l’absorption du rayonnement.

2). Les déchets radioactifs

Chaque année, la France doit gérer environ 3000 kg de déchets de toutes natures par……1kg de déchets nucléaires. Ces déchets nucléaires proviennent à 90 % de l’industrie électronucléaire (centrale, usidu cycle du combustible) et à 10 % des hôpitaux, des autres industries et centres de recherche. La seul aspect à prendre en compte ; la toxicité Quels sont les modes de stockage ?

Pour les déchets à vie courte Les déchet sont dans des structures en béton et sont surveillés en permanence. Pour les déchets à vie longue Les déchetspendant un an dans des cuves en acier inoxydable où ils perdent en partie de leur radioactivité et de leur chaleur. Ils ensuite calcinés et mélangées à des granulés de vattendant un système de stockage définitif. Sites internet utiles :

� Agences nationale pour la gestion des déchets radioactifs� Commissariat à l’énergie atomique� Un site sur les sciences en général� Un site d’EDF : http://www.edf.com

et gestion des déchets

était accompagnée d’une émission de rayons radioactifs particulièrement nocifs après la découverte de la radioactivité, Becquerel s’aperçut qu’un tube de matière

radioactive, gardé dans la poche de sa veste, avait provoqué une brûlure comparable à un coup de soleilLes conséquences biologiques d’une exposition aux rayonnements radioactifs dépendent de la quantité reçue, de la nature du rayonnement, de la nature des tissus atteints et de l’importance du volume corporel touché.

Les expositions aux rayonnements peuvent entraîner des dommages du type : s sensibles sont le sang, les seins pour les femmes et la thyroïde pour les enfants.

du patrimoine génétique, d’où malformation de nouveau-nés.

sur des règles de bon sens et se fait à trois niveaux : : on limite la durée d’exposition,

source, l’irradiation diminue, : on recherche l’absorption du rayonnement.

Chaque année, la France doit gérer environ 3000 kg de déchets de toutes natures par habitant. Sur ces 3000 kg, il y a de déchets nucléaires. Ces déchets nucléaires proviennent à 90 % de l’industrie électronucléaire (centrale, usi

du cycle du combustible) et à 10 % des hôpitaux, des autres industries et centres de recherche. La toxicité est aussi très importante. Les déchets peuvent être

Les déchet sont conditionnés dans des fûts en résine, en acier ou en bétonsont surveillés en permanence.

Les déchets, les plus nocifs, sont concentrés et dissous dans l’acide nitrique, puis stockés pendant un an dans des cuves en acier inoxydable où ils perdent en partie de leur radioactivité et de leur chaleur. Ils

des granulés de verre en fusion. Ainsi vitrifiés, ils sont stockés dans des puits en bétonattendant un système de stockage définitif.

Agences nationale pour la gestion des déchets radioactifs : http://www.andra.fr/ique : http://www.cea.fr/jeunes/themes/la_radioactivite

Un site sur les sciences en général : http://www.science.gouv.fr/ http://www.edf.com/html/panorama/index.html

radioactifs particulièrement nocifs après la découverte de la radioactivité, Becquerel s’aperçut qu’un tube de matière

radioactive, gardé dans la poche de sa veste, avait provoqué une brûlure comparable à un coup de soleil !) dioactifs dépendent de la quantité reçue, de la nature

du rayonnement, de la nature des tissus atteints et de l’importance du volume corporel touché.

s sensibles sont le sang, les seins pour les femmes et la thyroïde pour les enfants.

habitant. Sur ces 3000 kg, il y a de déchets nucléaires. Ces déchets nucléaires proviennent à 90 % de l’industrie électronucléaire (centrale, usine

du cycle du combustible) et à 10 % des hôpitaux, des autres industries et centres de recherche. La quantité n’est pas le est aussi très importante. Les déchets peuvent être …retraités ou stockés

conditionnés dans des fûts en résine, en acier ou en béton. Ils sont rangés

, les plus nocifs, sont concentrés et dissous dans l’acide nitrique, puis stockés pendant un an dans des cuves en acier inoxydable où ils perdent en partie de leur radioactivité et de leur chaleur. Ils sont

Ainsi vitrifiés, ils sont stockés dans des puits en béton en

.andra.fr/ http://www.cea.fr/jeunes/themes/la_radioactivite