UE LP387 : Énergie, environnement, radioactivité (2009/2010) · 28 % de la population mondiale est âgée de moins de 15 ans 7 % des habitants de notre monde ont 65 ans et plus

UE LP387 : Énergie, environnement, radioactivité(2009/2010)

Partie : Énergie Nucléaire - Fission et fusion

Wilfrid da Silva 1 F. Kapusta2

1University of Paris 6 , LPNHE Paris

2CNRS/IN2P3 , LPNHE Paris

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Wilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LP387 : Énergie, environnement, radioactivité

La nécessité de nouvelle source d’énergieLa fission et la production d’énergie

L’énergie de liaison du noyau

Première partie I

Cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire

1 La nécessité de nouvelle source d’énergieLa population mondialeLes hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergieLe futur du gaz comparé à celui du pétrole

2 La fission et la production d’énergieUn petit tour du monde des centrales nucléairesPrincipe de fonctionnement d’une centrale nucléaire

3 L’énergie de liaison du noyauRappels élémentaires sous forme de quizLes interactions fondamentalesLes noyaux fissiles et les noyaux fertiles

Wilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LP387 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire



La population mondialeLes hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergieLe futur du gaz comparé à celui du pétrole

Plan-Contenu








La population mondiale va continuer de croître

La population mondiale est de 6 641 528 201 personnes samedi 8septembre 2007 à 14 h 11 min et 30 s (http ://www.populationmondiale.com/)

On compte près de 200 000 habitants de plus chaque jour sur la planète.

Nous assistons à 353 015 naissances et à 158 857 décès chaque jour sur Terre

28 % de la population mondiale est âgée de moins de 15 ans

7 % des habitants de notre monde ont 65 ans et plus

64,3 ans est l’espérance de vie actuelle dans le monde

Répartition et évolution (droite) de la population





Modélisation de la croissance de la population mondiale

L’Inde dépassera la Chine comme première nation du monde d’ici 2030

Nation émergente : en 20 ans la consommation en or noir a étémultiplié en Chine (Inde) par 192 % (240 %).





Plan-Contenu








Les hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergie

Le pétrole,du latin petra pierre et oléum huile (soit huile depierre), est une roche liquide carbonée, ou huileminérale. Énergie fossile, son exploitation estl’un des piliers de l’économie industriellecontemporaine, car il fournit la quasi totalité descarburants liquides. Le pétrole est aussi souventappelé or noir en référence à sa couleur et àson coût élevé.Un petit peu d’histoire :

Les feux éternels (gaz naturel) ont étél’objet de culte à Kirkouk il y a 6 000 ans.

Les Chinois, il y a 3000 ans, exploitent dugaz (forage au bambou à 200 m)

Le bitume est signalé dans la Bible (MerMorte). Il a été utilisé dés l’antiquité pourl’étanchéité des bateaux, comme mortierpour les maisons ou les sculptures.

Les premiers puits d’huile à la main ont étéforés à Bakou en 1594 (35 m).

Les sables bitumineux ont été exploités àPechelbronn dés 1735.

Les schistes bitumineux ont été exploitéscomme combustibles vers 1750 en Chineet vers 1850 en France à Autun et enÉcosse.

Le premier réverbère au gaz (de houille)date de 1807 à Londres.

Le premier forage moderne (à câble) a eulieu en 1848 à Bakou (capitale del’Azerbaidjan), en 1854 en Pologne, en1858 au Canada et enfin en 1859 auxÉtats-Unis avec Drake.

Le premier forage de gaz naturel auxÉtats-Unis date de 1826 (Fredonia). Lepremier forage rotary date de 1902.





East Texas : un exemple instructif d’exploitation d’un champ pétrolifère

East Texas (véritable mythe de l’histoire pétrolière) est le plus grandgisement pétrolier jamais trouvé aux États-Unis en dehors Prudhoe Bay (Alaska).

Il s’étale sur 500 km2 et fut découvert en 1930 par Columbus Marion Joiner.En 1933, le gisement produisit 200 kbbls/j (' 12 % de la production mondiale).5.2 Gbbls ont été extraits, sur environ les 6 Gbbls initialement prévue (ultime). Ilest aujourd’hui pratiquement épuisé, avec une production de l’ordre de 10 kbbls/j .

⇐ Production anuelle (Mb/a) en fonction de laproduction cumulée (Mb)

Utilisation de nouvelle technologies(injection d’eau, de vapeur, puitshorizontaux, etc..)⇒ diminution du déclinet augmentation de l’ultime ?

Avant déclin :→ 1972Injection d’eau en 1962⇒ remontée de laproduction.

Aprés déclin : 1972 → aujourd’hui1972 → 1986 (3,7 %) Ultime 6 Gb1986 → aujourd’hui (7 %) Ultime 5,38 Gb1 baril (bbl) ∼ 159 l.





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Le futur du gaz comparé à celui du pétrole

Production mondiale annuelle (Gb/a)⇒La production mondiale en 1999

Pétrole brut conventionnel ∼ 24 Gb/a.Liquide gaz (éthane, propane, ect ..) ∼ 2, 3 Tm3/a.

Les Ultimes des liquides2000 Gb pour les conventionnels (pétrole, gaz, ect ..)750 Gb pour les non-conventionnels (exemple :gisement offshore profond ou au delà du cerclespolaires, ect ..)

Les Pics de productionPic des liquides conventionnels vers 2010.Pic des liquides non-conventionnel en 2060 (⇒grands investissements et de délais très long (cfprojet minier, ect ..))Un pic de consommation pétrole + gaz a été atteinten 1979 de 7 bep/habitant et après un creux laconsommation individuelle culminera vers 2005 versun pic moindre de ∼ 6.5 bep/habitant pour décliner àjamais (bep = baril équivalent pétrole).

bleu : population (Milliard) - noir : consomation annuelle(Gbep/a/habitant) - rouge : production (pétrole+gaz)(Gbep/a/)/5⇒





Le besoin de nouvelle ressource énergétique

Extinction progressive des Énergies fossilesd’ici à 40-50 ans⇒ besoin de nouvelle ressource énergétique

1 Après la fusion avec Amoco et Arco, en juillet 2000, BPprésente son nouveau logo comme signifiant " BeyondPetroleum " (pour montrer leurs efforts vers lerenouvelable ?)

2 Uranium,Plutonium,thorium,... (Fission)(production industrielle d’électricité dans de nombreuxpays par la fission de l’uranium)

3 deutérium,tritium,... (Fusion)(seulement au stade expérimentale- on ai encore loin de laproduction industrielle)

4 Énergie renouvelable (voir partie II)




Un petit tour du monde des centrales nucléairesPrincipe de fonctionnement d’une centrale nucléaire

Plan-Contenu








Le nucléaire civil : production d’électricité par la fission

Un rapide tour du monde du parc nucléaire

USA : 104 réacteurs nucléaire

Europe occidentale : 150 réacteurs (assurent ∼ 41 % de laproduction d’électricité)

France : 58 réacteurs réparties sur 19 sites. Les réacteurs sontadministrés par l’ Autorité de Sûreté Nucléaire française (ASN)

Royaume-Uni : 23 réacteurs

Allemagne : 18 réacteurs (a décidé de sortir du nucléaire)

Russie et pays de l’Est : 46 réacteurs

Inde : 16 réacteurs (nation émergente - n’a pas signé le traitéde non prolifération des armes nucléaire) (consommation en ornoir multiplié par 240 % en 20 ans)

Chine : 13 réacteurs (nation-émergente- consommation en ornoir multiplié par 192 % en 20 ans)

Japon : 51 réacteurs

Corré du Sud (nord) : 20 (3 réacteurs en cours dedémantelement ?) réacteurs

Afrique du Sud (nord) du nord : 2 (0) réacteurs

⇒ pays émergent : planification de l’augmentation de leur parcWilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LP387 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire




Parc nucléaire en France (autour de Paris) : centrale de St-Laurent

2 Réacteurs à Eau Préssurisée (REP 900)Puissance totale : 1830 MW





Parc nucléaire en France : autour de Paris

Nogent(2 REP 1330) Dampierre PWR(4 REP 890)





Parc nucléaire en France (au bord de la mer) : la centrale de Gravelines

Gravelines : le plus important site nucléaire d’Europe de l’ouest (6REP)

La centrale de Gravelines se situeen bord de mer, à égale distance(20 kilomètres) de Dunkerque etde Calais.La centrale fonctionne avec 6réacteurs de 910 MW. En 2006, ilsont produit 38,4 milliards de kWh .PUB ⇒ En amont du site, uneferme aquacole utilise une partiedes eaux tièdes traitées et issuesde la centrale pour produirechaque année 6 millions d’alevinsde bars et 1,5 million d’alevins dedaurades royales.

A noter l’absence d’un élément. Lequel ?





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Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire (I)

Une centrale nucléaire est uneusine de production d’électricité.

Même principe defonctionnement que celui descentrales thermiques classiquesfonctionnant avec du charbon,du pétrole ou du gaz.

Mais on utilise la chaleur libéréepar l’uranium qui constitue le"combustible nucléaire".

Dans les centrales nucléairesfrançaises, relevant de la filièreà eau sous pression, laproduction d’électricité, ainsique le refroidissement etl’évacuation de la chaleur,s’effectuent selon le processussuivant : Circuit primaire,secondaire et derefroidissement.





Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire (II)





Le circuit primaire et secondaire (en plus)

Circuit primaire : permet d’extraire lachaleur

L’uranium, légèrement "enrichi" dans savariété - ou "isotope"- 235, est conditionnésous forme de petites pastilles. Celles-cisont empilées dans des gaines métalliquesétanches réunies en assemblages. Placésdans une cuve en acier remplie d’eau, cesassemblages forment le coeur du réacteur.Ils sont le siège de la réaction en chaîne,qui les porte à haute température. L’eau dela cuve s’échauffe à leur contact (plus de300C). Elle est maintenue sous pression,ce qui l’empêche de bouillir, et circule dansun circuit fermé appelé circuit primaire.

Circuit secondaire : permet deproduire la vapeur

L’eau du circuit primaire transmet sachaleur à l’eau circulant dans un autrecircuit fermé : le circuit secondaire. Cetéchange de chaleur s’effectue parl’intermédiaire d’un générateur de vapeur.Au contact des tubes parcourus par l’eaudu circuit primaire, l’eau du circuitsecondaire s’échauffe à son tour et setransforme en vapeur. Cette vapeur faittourner la turbine entraînant l’alternateurqui produit l’électricité. Après son passagedans la turbine, la vapeur est refroidie,retransformée en eau et renvoyée vers legénérateur de vapeur pour un nouveaucycle.





Le circuit de refroidissement (en plus)

Circuit de refroidissement : permet decondenser la vapeur et évacuer lachaleurPour que le système fonctionne en continu, ilfaut assurer son refroidissement. C’est le butd’un troisième circuit indépendant des deuxautres, le circuit de refroidissement. Sa fonctionest de condenser la vapeur sortant de laturbine. Pour cela est aménagé un condenseur,appareil formé de milliers de tubes danslesquels circule de l’eau froide prélevée à unesource extérieure : rivière ou mer. Au contact deces tubes, la vapeur se condense pour setransformer en eau. Quant à l’eau ducondenseur, elle est rejetée, légèrementéchauffée, à la source d’où elle provient. Si ledébit de la rivière est trop faible, ou si l’on veutlimiter son échauffement, on utilise des tours derefroidissement, ou aéroréfrigérants. L’eauéchauffée provenant du condenseur, répartie àla base de la tour, est refroidie par le courantd’air qui monte dans la tour. L’essentiel de cetteeau retourne vers le condenseur,

une petite partie s’évapore dans l’atmosphère,ce qui provoque ces panaches blancscaractéristiques des centrales nucléaires.Le panache blanc des centralesnucléaires...

... est constitué par l’évaporation de l’eauutilisée pour refroidir la centrale. Ce n’est pas dela fumée résultant d’une combustion mais del’air humide.





Les principaux composants d’une tranche nucléaire (en plus)

(Les dimensions des différentscomposants se rapportent à lacentrale nucléaire de Civaux,dans la Vienne, équipée dedeux réacteurs de 1450mégawatts électriques depuissance).

Bâtiment réacteur :

il est constitué d’une doubleenceinte en béton, hauteur 60m, diamètre 50 m, abrite la cuvedu réacteur et les principauxcomposants nucléaires de latranche.

(Centrale de Flamanville)

Cuve du réacteur :

hauteur 13,66 m, diamètre 4,95m, épaisseur 23 cm, en acierspécialement traité ; elle abritele coeur du réacteur formé parles assemblages combustiblescontenant l’uranium.

Pressuriseur :

il maintient la pression àenviron 155 bar, ce quiempêche l’eau du circuitprimaire de bouillir.

Générateur devapeur :

il reçoit l’eau chaudedu circuit primaire(dans des tubes enforme de U), ce quipermet de chaufferl’eau du circuitsecondaire et de latransformer en vapeur.On compte en généraltrois générateurs devapeur par tranche.

(Générateur devapeur)





Les principaux composants d’une tranche nucléaire (en plus)

Le groupe turbo-alternateur :

Il est composé des différents corps de turbine etde l’alternateur, il est mis en mouvement par lapression de la vapeur et produit le courantélectrique. Il est situé dans la salle desmachines, un hall de 106 m de longueur et 47 mde hauteur.

(Groupes turbo-alternateurs)

Le réfrigérant atmosphérique :

(également appelé tour de refroidissement ouaéroréfrigérant)

c’est, pour chaque tranche, le pointd’aboutissement du circuit de refroidissementdans lequel l’eau réchauffée sortant ducondenseur est refroidie par un courant d’airfrais ascendant. Hauteur : 178 m ; diamètre à labase : 155 m. Une partie de l’eau s’évaporedans l’atmosphère ; l’autre partie retourne,refroidie, vers le condenseur. (Certainescentrales nucléaires ne possèdent pas deréfrigérant atmosphérique. Elles sont refroidiesuniquement par l’eau venant de la rivière ou dela mer).

( Réfrigérants atmosphériques de la tranche 2de la centrale de Civaux)




Rappels élémentaires sous forme de quizLes interactions fondamentalesLes noyaux fissiles et les noyaux fertiles

Plan-Contenu








Description de la matière nucléaire

Nucléons⇒ rappel sous forme de quizÉnergie de liaison des noyaux⇒ explication de la fissionModélisation⇒ goutte liquide, modèle en couche (cf Master)





Rappels élémentaires sous forme de quiz .....





Structure élémentaire de l’atome

1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C)3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse

6 Dans la notation AZ X, Z est : le numéro atomique - le nombre de masse

7 Dans la notation AZ X, A représente le nombre de : protons - de neutrons - de nucléons

8 Dans la notation AZ X, Z représente le nombre : de protons - de neutrons - de nucléons

9 Deux noyaux sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.10 Deux noyaux sont dits isobares s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.11 Deux noyaux sont dits isotones s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.12 Les protons et les neutrons sont composés des quarks : u(up), d(down), s(étrange),

c(charme), b(beauté), t(top)13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd






1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton Réponse : électron2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C)3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse











1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton Réponse : électron2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C) Réponse : 0 C3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse











1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton Réponse : électron2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C) Réponse : 0 C3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e Réponse : +e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse











1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton Réponse : électron2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C) Réponse : 0 C3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e Réponse : +e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha Réponse : neutron ou proton5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse











1 le positon est l’antiparticule : de l’électron - du neutron - du proton2 La charge du neutron est de : 0 e , +e , -e (e = 1, 60217646 10−19 C)3 La charge du proton est de : 0 C : 0 e , +e , -e4 Un nucléon est un : électron - neutron - proton - alpha Réponse : neutron ou proton5 Dans la notation AZ X, A est : le numéro atomique - le nombre de masse Réponse : le

nombre de masse6 Dans la notation AZ X, Z est : le numéro atomique - le nombre de masse











nombre de masse6 Dans la notation AZ X, Z est : le numéro atomique - le nombre de masse Réponse : le

numéro atomique7 Dans la notation AZ X, A représente le nombre de : protons - de neutrons - de nucléons



c(charme), b(beauté), t(top)13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , uddWilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LP387 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire








Réponse : le nombre de nucléons8 Dans la notation AZ X, Z représente le nombre : de protons - de neutrons - de nucléons












Réponse : le nombre de protons9 Deux noyaux sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.

10 Deux noyaux sont dits isobares s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.11 Deux noyaux sont dits isotones s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.12 Les protons et les neutrons sont composés des quarks : u(up), d(down), s(étrange),











Réponse : le nombre de protons9 Deux noyaux sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.

Réponse : protons10 Deux noyaux sont dits isobares s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.11 Deux noyaux sont dits isotones s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.12 Les protons et les neutrons sont composés des quarks : u(up), d(down), s(étrange),











9 Deux noyaux sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.Réponse : protons

10 Deux noyaux sont dits isobares s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.Réponse : nucléons

11 Deux noyaux sont dits isotones s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.12 Les protons et les neutrons sont composés des quarks : u(up), d(down), s(étrange),

c(charme), b(beauté), t(top)13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , uddWilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LP387 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire









9 Deux noyaux sont dits isotopes s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.Réponse : protons

10 Deux noyaux sont dits isobares s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.Réponse : nucléons

11 Deux noyaux sont dits isotones s’ils ont le même nombre de : neutrons - protons - nucléons.Réponse : neutrons

12 Les protons et les neutrons sont composés des quarks : u(up), d(down), s(étrange),c(charme), b(beauté), t(top)

13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd











c(charme), b(beauté), t(top) Réponse : quarks u et d13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd











c(charme), b(beauté), t(top) Réponse : quarks u et d13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : 2/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd











c(charme), b(beauté), t(top) Réponse : quarks u et d13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : 2/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd











c(charme), b(beauté), t(top) Réponse : quarks u et d13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : 2/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd uud16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd











c(charme), b(beauté), t(top) Réponse : quarks u et d13 La charge du quark u est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : 2/3 e14 La charge du quark d est : 2/3 e , -1/3 e Réponse : -1/3 e15 la composition en quarks du proton est : uud , udd uud16 la composition en quarks du neutrons est : uud , udd udd





Élément à connaître

1 L’uranium possède : 80 protons - 92 protons - 100 protons2 l’hydrogène possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons3 Parmi les atomes ci-dessous lequel n’est pas un isotope de l’hydrogène : hydrogène -

deutérium - tritium - hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T

10 Le symbole du deutérium est : U - H - 2H - D - 3H - T11 Le symbole du tritium est : U - H - 2H - D - 3H - T






1 L’uranium possède : 80 protons - 92 protons - 100 protons Réponse : 92 protons2 l’hydrogène possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons3 Parmi les atomes ci-dessous lequel n’est pas un isotope de l’hydrogène : hydrogène -








1 L’uranium possède : 80 protons - 92 protons - 100 protons Réponse : 92 protons2 l’hydrogène possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons Réponse : 1 proton3 Parmi les atomes ci-dessous lequel n’est pas un isotope de l’hydrogène : hydrogène -









deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons Réponse : 2 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons Réponse : 2 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutron8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons Réponse : 2 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutron8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : U9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T








deutérium - tritium - hélium Réponse : hélium4 Le deutérium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 1 neutron5 Le tritium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutrons6 L’hélium possède : 1 proton - 2 protons - 3 protons Réponse : 2 protons7 L’hélium possède : 0 neutron - 1 neutron - 2 neutrons - 3 neutrons Réponse : 2 neutron8 Le symbole de l’uranium est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : U9 Le symbole de l’hydrogène est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : H









10 Le symbole du deutérium est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : 2H ou D11 Le symbole du tritium est : U - H - 2H - D - 3H - T








10 Le symbole du deutérium est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : 2H ou D11 Le symbole du tritium est : U - H - 2H - D - 3H - T Réponse : 3H ou T





La composition des atomes (rappel - en plus)

( extrait de http ://www.cea.fr/jeunes/themes/)Les planètes, l’air, l’eau, les pierres, les êtres vivants... tous les corps de la nature sontconstitués à partir d’atomes ou d’assemblages d’atomes (molécules...). Contrairementà son étymologie, l’atome n’est pas indivisible. Comment est-il constitué ?

Un atome est composé :

d’un noyau central qui est un assemblagede protons et de neutrons. Les protons etles neutrons constituent les nucléons (dumot grec nucléus signifiant noyau) ;

d’un nuage périphérique composé d’uncortège d’électrons, qui tournent è desvitesses prodigieuses autour du noyau. Ilest impossible de vraiment se représenterleurs trajectoires : seules des formulesmathématiques permettent de prédiredans le nuage qu’ils forment autour dunoyau, les zones où l’on a le plus dechances de les rencontrer.Il existe beaucoup d’atomes différentsmais ils sont tous fabriqués à partir deprotons, de neutrons et d’électrons tousidentiques.

Les tailles d’un atome et de son noyaule diamètre du nuage électronique sphériquede l’atome est de l’ordre de 10−10 mètre. Cettetaille est vraiment minuscule. Pour atteindre uncentimètre, il faudrait aligner 100 millionsd’atomes.

le noyau est encore beaucoup plus petit. Iloccupe une sphère d’un diamètre de 10−15

mètre en moyenne, soit près de 100 000 foisplus petite que l’atome avec son nuaged’électrons.





Quelques caractéristiques des atomes (rappel-en plus)

La masse de l’atome :

Dans l’atome, la masse n’est pas répartiede façon homogène. Les protons et lesneutrons ont à peu près la même masse,mais ils sont environ 2 000 fois plus lourdsqu’un électron

la matière dont est fait un noyau est unmillion de milliards de fois plus dense quela matière ordinaire. Si tous les noyaux dela Terre venaient à se toucher, notreplanète aurait à peine plus de cent mètresde diamètre et un grain de sable pèseraitplus d’une tonne.

Pour estimer la masse d’un noyau, il suffitdonc de connaître son nombre denucléons A (appelé aussi nombre demasse). Sachant que la masse d’unnucléon est d’environ 1, 67 10−27 kg, il estfacile de calculer une masseapproximative d’un atome. Cependant, lerésultat du calcul n’est qu’une estimation(voir la fusion et fission).

La charge électrique de l’atomele neutron ne porte pas de charge électrique, ilest neutre, d’où son nom.

un proton porte une charge positive.

un électron porte une charge négative.

Un atome dans son état normal comprendautant de protons que d’électrons. Il est doncélectriquement neutre.

Cependant, dans certaines conditions(réactions chimiques...), l’atome peut perdre ougagner un ou plusieurs électrons et peut alorsêtre chargé positivement ou négativement. Ilest alors appelé ion.





Atomes ayant les mêmes caractéristiques chimiques (rappel -en plus)

Les éléments chimique :

un élément chimique est un ensemble d’atomescomportant le même nombre de protons. Il estdésigné par un symbole d’une ou deux lettres (parexemple, 1H pour l’hydrogène qui n’a qu’un proton,26Fe pour le fer qui a 26 protons).

les atomes présents naturellement sur Terreappartiennent à 90 éléments chimiquescomprenant de 1 à 92 protons. Les élémentschimiques, technétium (Tc) avec 43 protons etprométhéum (Pm) avec 61 protons, n’existent pasà l’état naturel. Ils peuvent cependant être créésartificiellement ainsi que d’autres élémentschimiques comprenant plus de 92 protons comme,par exemple, le plutonium (Pu) avec 94 protons.

Les isotopes

les atomes d’un élément chimique comportant unnombre différent de neutrons sont des isotopes decet élément.

les isotopes sont en quelque sorte des atomesfrères qui possèdent les mêmes propriétéschimiques mais un nombre différent de neutron.

Tous les isotopes de l’hydrogène ont unproton et zéro, un ou deux neutrons. Cesont l’hydrogène léger (appelé souventhydrogène tout court car c’est le plusrépandu),l’hydrogène lourd oudeutérium, et le tritium .





Le classement des atomes (rappel - en plus)

Le nom des atomes :Un atome se caractérisepar son nombre de protons(identique à celui desélectrons) et par sonnombre de neutrons.

l’atome est appelé par lenom de son élémentchimique suivi de sonnombre total de nucléons(nombre de masse). Parexemple, oxygène 16, fer59.

Le nom de l’élémentchimique permet deconnaître le nombre de sesprotons. Et du nombre deses nucléons, parsoustraction du nombre deses protons, on peutdéduire le nombre de sesneutrons.





Plan-Contenu








Les quatre forces (interactions) fondamentales

L’interaction électromagnétique :L’interaction électromagnétique se manifestesous deux formes, la force électrique et la forcemagnétique.

L’interaction forteL’interaction forte, ou force nucléaire forte,assure la cohésion du noyau en faisantfortement s’attirer les nucléons. Elle ne s’exercequ’à des distances très courtes, quelquesdiamètres de noyaux. A distance égale, elle est100 à 1 000 fois plus intense que l’interactionélectromagnétique.

L’interaction faiblel’interaction faible, ou force nucléairefaible, est responsable de certainsphénomènes de la radioactivité (parexemple, la radioactivité bêta). Saportée est extrêmement faible, de l’ordrede quelques centièmes de la taille d’unnucléon, mais elle régit les réactionsthermonucléaires qui permettent auSoleil et aux étoiles de produire del’énergie. Elle est environ 100 000 foisplus faible que l’interaction forte.La gravitationLa gravitation, responsable del’attraction des masses, explique lapesanteur et le mouvement des corpscélestes.





les forces qui assurent la cohésion de la matière

La cohésion de l’atome et de son coeur le noyau est assurée par la force nucléaireforte et la force électrique.

Effet de la force électrique :La force électrique n’agit quesur des particules chargées,attirant celles qui sont de signeopposé et repoussant celles demême signe.

Cette force agit à longuedistance

Les électrons , porteurs d’unecharge négative sont retenusautour du noyau chargépositivement.

Les neutrons, en raison de leurabsence de charge, ne sontpas soumis à la forceélectrique.

La force électrique a tendanceà repousser les protons, tousde même signe.

Compensationdes forcesélectriques etnucléaire pourassurer lacohésion dunoyau.

Effet de la force nucléaire :Dans le noyau, les protons et lesneutrons restent bien associés.Cette constatation permet de direque :

la force nucléaire n’agit qu’àtrès courte distance sur lesprotons et les neutrons.

la force nucléaire est plusintense pour ces courtesdistances que la forceélectrique.

la force nucléaire ne peut pascompenser à l’infini la forceélectrique pour la cohésion desprotons et des neutrons dansles noyaux et lorsqu’il y abeaucoup de protons, lesnoyaux des atomes sont moinsliés et deviennent instables.





Énergie de liaison du noyau : BE(A, Z)

M(AZ X) = Zmp + (A − Z)mn− BE(A, Z)/c2

⇒ Equivalence entre Masse et Énergie (Einstein - 1905 (E = mc2))





Einstein (1905) : Équivalence entre Énergie et Matière (en plus)

On peut mesurer précisément la masse des noyaux, celle du proton ou du neutron eton constate que la masse des noyaux est inférieure à la somme des masses dechacun de ses nucléons.

Qu’est devenue la masse manquante ?

Cette masse ne disparaît pas mais setransforme en énergie de liaison d’où la célèbreformule d’Einstein : E = mc2 qui exprimel’équivalence entre la masse et l’énergie (c=vitesse de la lumière dans le vide ' 300 000km/s).

L’énergie de liaison (BE) est l’énergie qu’il fautfournir au noyau pour qu’il soit dissocié ennucléons isolés.

Un noyau est d’autant plus stable que sonénergie de liaison par nucléon est grande.

On exprime la masse d’un noyau (M(AZ X ) ) enfonction de la masse des protons mp, desneutrons mn et de l’énergie de liaison desnucléons BE(A, Z) :M(AZ X)c

2 = Zmpc2 + (A − Z)mnc2 − BE(A, Z)

Courbe d’Aston

BEA augmente jusqu’aux noyaux de masse

moyenne (voisine de celle du fer 56) etdécroît ensuite.

Les noyaux possédant des énergies BEArelativement faibles (A petit ou A grand)peuvent se transformer en des noyaux plusstables (A moyen) en libérant de l’énergie.

L’énergie nucléaire se libère si le noyaufusionne avec un autre noyau ou si ilfissionne en se cassant..





Formule semi-empirique de Bethe-Weizsacker pour modéliser BE(A, Z)

Les différents termes du modèle de la goutte liquideBE(A, Z) = avA − aSA2/3 − acZ(Z− 1)A−1/3 − aA(A − 2Z)2A−1 + (±, 0)apA−1/2

Ajustement sur les masses connues (Wapstra 1971)⇒ av = 15, 85 MeV, as = 18, 34 MeV, ac = 0, 71 MeV, aA = 23, 21 MeV, ap = 12 MeV





Exemple de fission de noyaux lourds : la fission de l’uranium 23592 U (I)

DéfinitionLa fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourdse scinde généralement en deux noyaux moyens sous l’impactd’un neutron. La réaction se fait avec perte de masse et doncdégagement d’énergie.Exemple

L’uranium 23592 U peut fissioner, on dit qu’il estfissile. Une des réactions de fission est :

10n +

23592 U →14056 Ba+9436 Kr + z 11p + y 10n

avec 56Ba : baryum et 9436Kr : kryptonPour calculer y et z on applique les lois de conservation de la charge électrique etdu nombre de nucléons : la somme des nombres de charges (nombres denucléons) des noyaux de l’état initial est égale à celle de l’état final.on a : 0 + 92 = 56 + 36 + z et 1 + 235 = 140 + 94 + z + y ⇒ z = 0 et y = 2





Exemple de fission de noyaux lourds : la fission de l’uranium 23592 U (II)

Aspect énergétique de la fission

L’énergie totale (Einitial ) dans l’état initial vaut :

Einitial = Tc(n) + mnc2(' 0)+ Tc

(23592 U

)(' 0) + 92mpc2 + (235− 92)mnc2 − BE

(23592 U

)L’énergie totale (Efinal) dans l’état final vaut :

Efinal = Tc(140

56 Ba)

+ 56mpc2 + (140− 56)mnc2 − BE(140

56 Ba)

+ Tc(94

36Kr)

+ 36mpc2 + (94− 36)mnc2 − BE(94

36Kr)

+ 2mnc2 + Tc(n1) + Tc(n2)

Loi de conservation de l’énergie :La somme des énergie dans l’état initial est égale à celle de l’état final.

Einitial = Efinal





Exemple de fission de noyaux lourds : la fission de l’uranium 23592 U (III)

Q : bilan énergétiqueEn appliquant la conservation de l’énergie, on peut calculer l’énergie cinétique libérée(Q) dans cette réaction, on a :

Q = Tc(140

56 Ba)

+ Tc(94

36Kr)

+ Tc(n1) + Tc(n2)

≡ mnc2 + M(

23592U

)c2−M

(14056Ba

)c2−M

(9436Kr

)c2− 2mnc2

= BE(

14056Ba

)+ BE

(9436Kr

)− BE

(23592U

)= 1169, 42 + 791, 76− 1783, 42' 178 MeV(1MeV = 106 1, 610−19 J)

L’énergie de fission libérée est utilisée dans les réacteurs nucléaires.Ceux-ci produisent actuellement le sixième de l’électricitéconsommée dans le monde, le tiers en Europe et les trois quarts enFrance.





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1 La nécessité de nouvelle source d’énergieLa population mondialeLes hydrocarbures : notre principal

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UE LP387 : Énergie, environnement, radioactivité (2009/2010) · 28 % de la population mondiale est âgée de moins de 15 ans 7 % des habitants de notre monde ont 65 ans et plus