1/6 Les réactions nucléaires _ www : tawbac.jimdo.com L3 : Les réactions nucléaires provoquées
I. La courbe d’Aston
II. La fission
1) Définition et propriétés
La fission est une réaction nucléaire provoquée* au cours de laquelle un noyau lourd se scinde en deux noyaux moins lourds sous
l’effet d’un bombardement neutronique. Cette réaction se fait avec perte de masse et dégagement d’énergie sous forme de chaleur.
L’équation générale d’une fission s’écrit sous la forme : n + X g Y + Y + x n
Avec CNM: 1 + A = A1 + A2 + x CNC: 0 + Z = Z1 + Z2
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Le neutron qui heurte le noyau fissile est un neutron lent dit neutron thermique d’énergie cinétique Ec < 0,1 eV.
La réaction de fission est une réaction en chaine.
La fission de l’uranium peut conduire à plusieurs réactions nucléaires :
n + U g Sr + Xe + 2 n
n + U g Kr + Ba + 3 n
2) Etude d’un exemple
On considère la réaction de fission d’un noyau d’uranium d’équation : n + U g Sr + Xe + 2 n
a) Montrer que A=235 et Z = 38.
b) Calculer la masse disparait (défaut de masse) au cours cette réaction.
En déduire la valeur de l’énergie E0 libérée par la fission d’un noyau d’uranium 235 , en J puis en MeV.
c) Déterminer l’énergie E libérée par la fission d’un kilogramme d’uranium 235.
d) La tonne d’équivalent pétrole (TEP) est une unité d’énergie utilisée dans l’industrie. 1 TEP représente 4. 1010 J (c’est-à-dire l’énergie moyenne libérée par la combustion d’une tonne de pétrole). Calculer en TEP, l’énergie libérée par la fission d’un kilogramme d’uranium 235.
Conclure
Données : m(U) = 234,9935 u ; m(Sr) = 93,8945 u ; m(Xe) = 139,892 u ;
m(n) = 1,0087 u ; m(p) = 1,00727 u ; 1u = 1,6749. 10 kg ; c = 3. 10 m. s ; 1 MeV = 1,602 . 10 J ; M(U) = 235 g. mol ; N = 6,02. 10 mol .
a) CNM : 1+A=94+140+2X1 ⟹ A=235 ; CNC : 0+92=Z+54 + 2X0 ⟹ Z=38 b) ∆m = m(U) + m(n) − m(Sr) − m(Xe) − 2 m(n) = 0,1983 u
∆E = ∆m. c = 3. 10 J = 187,25 MeV c) ∆E = N. ∆E = N ( )
( )∆E = 6,02. 10 ∆E = 25,617. 10 ∆E
⟹ ∆E = 76,85. 10 J = 4,8 10 MeV d) ∆E (TEP) = ∆ ( )
. = 1921,25 TEP : La fission libère une énergie importante
3/6 Les réactions nucléaires _ www : tawbac.jimdo.com III. LA FUSION
1) Définition et propriétés
DEFINITION : La fusion nucléaire est une réaction nucléaire provoquée* au cours de laquelle des noyaux légers s’unissent (s’agglomèrent) pour donner un noyau plus lourd. Cette réaction se fait avec perte de masse et dégagement de haute énergie.
2) Mécanisme de la fusion de l’hydrogène dans une étoile
On se propose de commenter un extrait d’article du dossier hors série de la revue « Pour la science » de janvier 2001. « … la phase de fusion de l’hydrogène est la plus longue de la vie des étoiles. Si la masse stellaire est comparable ou inférieure à celle du soleil, la température centrale est inférieure à une vingtaine millions de degrés. Dans ces conditions, la fusion de deux noyaux d’hydrogène H (ou protons p) produit un noyau de Deutérium H qui capture un autre proton et forme un noyau d’Hélium 3 ( He)… finalement, deux noyaux d’Hélium 3 fusionnent en un noyau d’Hélium 4 ( He)… l’ensemble de ces réactions constituent des chaines proton-proton ou chaine p-p, la plus importante dans le cas du soleil… »
1) Expliquer pourquoi ces réactions sont qualifiées de
« thermonucléaires ». C’est-à-dire ne peuvent se produire qu’à très haute température (21. 10 °C).
2)
a) Ecrire la réaction de fusion de deux noyaux d’Hydrogène en un noyau de deutérium et une particule que l’on identifiera.
b) Ecrire la réaction de fusion de deux noyaux de deutérium et d’un proton en un noyau d’Hélium 3. Cette fusion s’accompagne de l’émission d’un photon. Comment peut-on interpréter cette émission.
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c) Ecrire la réaction de fusion de deux noyaux d’Hélium 3 en un noyau d’Hélium 4. Cette fusion s’accompagne de l’émission de deux autres noyaux identiques. Lesquels ?
d) Ecrire la réaction bilan des trois réactions de fusion précédente.
3) On considère la réaction d’équation : 4 H ⟶ He + 2 e + 2 γ DONNEES : m( H) = 1,0073 u ; m( He) = 4,0026 u ; m( e) = 0,00054 u ; 1u = 931,5 MeV. c .
a) Calculer la perte de masse correspondant à cette fusion. En déduire l’énergie moyenne libérée par nucléon lors de cette réaction.
b) Le soleil transforme, chaque seconde, 720 millions de tonnes d’hydrogène en Hélium 4. Estimer la perte de masse subie, chaque seconde par le soleil.
IV. APPLICATIONS
1) L’énergie du soleil ; D’où provient-elle ?
C’est seulement en 1920 que le voile est levé, par les britanniques Francis William ASTON et Arthur EDDINGTON : les noyaux d’atomes d’hydrogène, le principal constituant solaire, se transforment en hélium en fusionnant. Une réaction qui libère une énergie faramineuse (1).
L’objectif du projet ITER(2) est de démontrer la possibilité scientifique et technologique majeur qui pourrait répondre au problème crucial(3) de disposer, à plus ou moins long terme, de nouvelles ressources énergétiques. A coté de l’énergie de fission, l’énergie de fusion représente l’espoir d’avoir une source d’énergie propre et abondante au cours du XXI
eme siècle. A l’heure où la raréfaction(4) des énergies fossiles est prévue d’ici 50 ans, il est d’une importante vitale d’explorer le potentiel de toutes les autres sources d’énergie.
Le concept solaire de production d’énergie est basé sur une réaction dont la probabilité de se réaliser est extrêmement faible sur notre planète. Mais l’idée reste bonne ! il suffit de remplacer l’hydrogène par des noyaux qui ont un maximum de chance de fusionner sur Terre, en l’occurrence, ceux de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène […] en les
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chauffant à des températures très élevées, de l’ordre de 100 millions de degrés. »
C’est donc sur cette réaction que se concentrent les recherches concernant la fusion contrôlée. H + H ⟶ He + n
(1) Faramineuse : étonnante ;
(2) ITER : c’est un projet de réacteur de recherche civil à fusion nucléaire situé à Cadarache (France) ;
(3) Crucial : Décisif ;
(4) Raréfaction : amoindrissement DONNEES :
1u = 1,66054. 10 kg ; N = 6,02. 10 mol ; c = 3. 10 m. s ; 1 MeV = 1,602 . 10 J
m(deutérium) = 2,01355 u ; m(tritium) = 3,0155 u ; m(hélium) = 4,0015 u ; m(n) = 1,0087 u.
1) Calculer l’énergie produite par cette réaction de fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium. Donner sa valeur en kg et commenter son signe.
2) Déterminer en MeV, la valeur de l’énergie produite par cette réaction.
3) Vérifier que le nombre de noyaux présents dans 1 g (un gramme) de noyaux de deutérium est 3,0. 10 noyaux. Vérifier qu’il en est de même dans 1,5 g de noyaux de tritium.
4) En déduire l’énergie en MeV puis en TEP, que l’on pourrait espérer obtenir si on réalisait la réaction de fusion de 1g de noyaux de deutérium avec 1,5 g de tritium dans un réacteur ITER.
1)
2) Energie nucléaire a) Définition et origine
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L’énergie nucléaire est l’énergie libérée par une réaction nucléaire (spontanée ou provoquée). Elle résulte des transformations à l’intérieur du noyau des protons et des neutrons.
b) Application : nucléaire civile et militaire
Les applications civiles de la fission contrôlée ont démarré dès 1950 aux Etats-Unis pour la production d’électricité. L’énergie nucléaire a aussi donné lieu à d’autres applications dans la médicine (en radiothérapie et en imagerie médicale) et dans le spatial pour la propulsion des satellites.
les applications militaires sont les premières applications de l’exploitation de la fission (bombes à fission d’Hiroshima et de Nagasaki en 1945) ou de fusion (bombe à hydrogène en 1952).
V. Essentiel à retenir
La fission est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle un noyau lourd se scinde en deux noyaux moins lourds sous l’impact d’un neutron lent. Son équation générale s’écrit sous la forme :
+ g + +
La fusion nucléaire est une réaction nucléaire provoquée au cours de laquelle des noyaux légers s’unissent (s’agglomèrent) pour donner un noyau plus lourd.
L’énergie nucléaire libérée par la fission ou la fusion est importante.
