FISSION NUCL É É AIRE AIRE Marcel Lacroix

FISSION NUCL

FISSION NUCL É É AIRE AIRE Marcel Lacroix

Marcel Lacroix Universit

Universit é é de Sherbrooke de Sherbrooke

AU 19

AU 19 ^{ÈME È ME} SI SI È È CLE CLE … …

1. Deux grandes forces sont connues:

-la force gravitationnelle (17ème siècle);

-la force électromagnétique (19ème siècle).

TABLEAU P

TABLEAU P É É RIODIQUE DES RIODIQUE DES É É L L É É MENTS MENTS

Dmitry Mendeleyev (1834-1907)

Julius Meyer

(1830-1895)

AU 20

AU 20 ^{È È ME ME} SI SI È È CLE CLE … …

2. Deux nouvelles forces sont découvertes:

-la force faible (la radioactivité);

-la force nucléaire (le noyau).

D D É É COUVERTE DES RAYONS X COUVERTE DES RAYONS X

Roentgen en 1895

D D É É COUVERTE DE LA COUVERTE DE LA RADIOACTIVIT

RADIOACTIVIT É É

Henri Becquerel en 1896

D D É É COUVERTE DE L COUVERTE DE L ’É ’É LECTRON LECTRON

John Thompson en 1897

D D É É COUVERTE DU RADIUM COUVERTE DU RADIUM

Pierre et Marie Curie en 1905

D D É É COUVERTE DU NOYAU COUVERTE DU NOYAU

Ernest Rutherford en 1911

D D É É COUVERTE DU NEUTRON COUVERTE DU NEUTRON

James Chadwick en 1932

R R É É ACTION DE FISSION ACTION DE FISSION EN CHA

EN CHA Î Î NE NE

Meitner et Hahn en 1940

Fission U

Fission U - - 235 235

PREMI

PREMI È È RE R RE R É É ACTION ACTION EN CHA

EN CHA Î Î NE CONTRÔL NE CONTRÔL É É E E

Enrico Fermi en 1942

RADIOACTIVIT

RADIOACTIVIT É É ET NOYAU ET NOYAU

3. L’atome est constitué d’un noyau ~ 10 ^-15 m, renfermant des protons et des neutrons,

entouré d’un nuage d’électrons ~ 10 ^-10 m.

Certains noyaux sont instables (on les appelle radio isotopes) et

retrouvent leur stabilité en émettant un rayonnement: c’est le

phénomène naturel de radioactivité.

R R É É ACTION CHIMIQUE ACTION CHIMIQUE VERSUS NUCL

VERSUS NUCL É É AIRE AIRE

10

~

atome noyau

r

r

10

~

atomique nucléaire

E

E

COMBUSTIBLE NUCL

COMBUSTIBLE NUCL É É AIRE AIRE

4. Uranium naturel: 99.3% Uranium-238 (matière fertile) et 0.7% Uranium-235 (matière fissile).

5. U-235 consommé dans réacteurs nucléaires.

6. Réacteurs PWR (pressurized water reactors), le combustible UO ₂ est enrichi en Uranium-

235.

7. Réacteurs CANDU (CANadian Deuterium

Uranium), le combustible UO est naturel.

CENTRALE NUCL

CENTRALE NUCL É É AIRE: AIRE:

PRINCIPE PRINCIPE

• L’énergie nucléaire, la fission de l’uranium, dégage de la chaleur.

• Une partie de cette chaleur produit de la vapeur d’eau.

• Cette vapeur se détend dans une turbine qui entraîne l’arbre d’un alternateur et produit de l’électricité.

• Le reste de la chaleur est dissipé dans

l’environnement.

É É LECTRICIT LECTRICIT É É : G : G É É N N É É RATION RATION

• L’électricité est produite en suivant le

principe de Faraday: une boucle tourne sur elle-même dans un champ magnétique ce

qui génère un courant électrique dans cette même boucle.

Michael Faraday Michael Faraday

(1791

(1791 - - 1867) 1867)

COMMENT LA BOUCLE COMMENT LA BOUCLE

TOURNE

TOURNE - - T T - - ELLE? ELLE?

La boucle est fixée à un arbre qui tourne ...

… et l’arbre est solidaire de l’axe d’une turbine …

-hydraulique (centrale hydraulique);

-à vapeur (centrale nucléaire);

-à gaz (réacteur d’avion);

-à air (éolienne)

Centrale nucl

Centrale nucl é é aire aire

Pressurized

Pressurized Water Water Reactor Reactor (PWR) (PWR)

CANadian

CANadian Deuterium Deuterium Uranium (CANDU) Uranium (CANDU)

Réacteur CANDU

CENTRALE NUCL

CENTRALE NUCL É É AIRE CANDU AIRE CANDU

PASTILLES

PASTILLES - - GRAPPES GRAPPES - - CALANDRE CALANDRE

Une vingtaine de pastilles d’oxyde d’uranium insérées dans un tube fait de zircaloy; une quarantaine de tubes forment une grappe de combustible de 50 cm de longueur et 10 cm de diamètre; 12 grappes placées bout à bout glissées dans chacun des 360 tubes de forces

constituent le cœur du réacteur nucléaire (calandre).

CALANDRE CANDU

CALANDRE CANDU

Centrale nucléaire CANDU

(600-950 MWe)

Bâtiment réacteur CANDU

La chaleur dégagée dans le réacteur fait bouillir l’eau lourde pressurisée qui cède sa chaleur, dans des

échangeurs, à de la vapeur qui sera

turbinée.

Cœur du réacteur nucléaire CANDU

360 tubes de force. Chaque tube contient 12 grappes de

combustible de

22 kg chacune.

Circuit primaire et

circuit du modérateur

CANDU

Tour de refroidissement

Tour de refroidissement

É É NERGIE NUCL NERGIE NUCL É É AIRE: AIRE:

AVANTAGES

AVANTAGES

1. Forme d

1. Forme d ’é ’é nergie la plus concentr nergie la plus concentr é é e e

Source Années Pouvoir (kJ/kg)

Atomes C/H Bois _(s)

Charbon _(s) C ₁₂ H _26(l) diesel C ₈ H _18(l) essence

CH _4(g) ~10 ¹ ~ 55 000 0.25 H _2(g) ~10 ¹ ~ 141 000 0.00 Uranium-235 (fission) ~10 ¹ ~800 * 10 ⁸ N.A.

Tritium (fusion) avenir ~340 * 10 ⁹

~ 12 000

N.A.

9.00

~10 ⁵

~ 24 000

~10 ³

~ 47 000

~10 ²

1.63 0.46

~ 48 000 0.44

~10 ²

Sources d

Sources d ’é ’é nergie compar nergie compar é é es au bois es au bois

Source Énergie relative (masse)

Bois _(s) Charbon _(s)

Diesel et essence _(l)

CH _4(g) ~ 4.5

Uranium naturel _(s) (fission) ~47 000

H _2(g) ~ 12

Uranium-235 _(s) (fission) ~6 600 000 Tritium (fusion) ~28 000 000

1

~ 2

~ 4

2. Performance des r

2. Performance des r é é acteurs CANDU acteurs CANDU

3. Canada: plus grandes r

3. Canada: plus grandes r é é serves serves

d d ’ ’ uranium au monde. uranium au monde.

4. Aucune

4. Aucune é é mission de gaz mission de gaz à à effet de serre. effet de serre.

Centrale nucléaire Gentilly-2 d’Hydro-Québec

Centrale nucl

Centrale nucl é é aire vs thermique aire vs thermique

ENTRÉE CENTRALE SORTIE

~1 dé uranium natu.

1 dé uranium natu.

~ 3000 kWh de chaleur

~ 1500 kg CO

rejetés dans l’atmosphère

~ 440 kg charbon

Piscine de combustible usag

Piscine de combustible usag é é

Cycle du combustible nucl

Cycle du combustible nucl é é aire aire

É É NERGIE NUCL NERGIE NUCL É É AIRE: AIRE:

INCONV

INCONV É É NIENTS NIENTS

1. Perception publique.

2. Technologie complexe et coûts d’investissements.

3. La radioactivité et les matières

toxiques et/ou dangereuses produites.

4. Autres.

D D é é chets nucl chets nucl é é aires: c aires: c ’ ’ est quoi? est quoi?

1. Résidus des minerais d’uranium.

2. Résidus de faible radioactivité: papiers,

chiffons, vêtements, filtres, etc.: incinération.

3. Résidus de radioactivité intermédiaire:

matériaux, boues, etc.: traitements et entreposage.

4. Résidus de forte radioactivité: combustible

usagé: entreposage pour retraitement.

P P é é n n é é tration du rayonnement: tration du rayonnement:

Int Int é é rêt et dangers rêt et dangers

Plutonium

Plutonium - - 239 239

1. Demi-vie ~ 24400 ans;

2. Une des matières créées artificiellement

des plus toxiques.

C C é é sium sium - - 137 137

1. Demi-vie ~ 30 ans;

2. Chimiquement semblable au potassium!

Horloge atomique Horloge atomique

Comité

international des poids et mesures

Cs-133: Une seconde = 9 191 631 770 vibrations

Strontium

Strontium - - 90 90

1. Demi-vie ~ 28.8 ans;

2. Chimiquement semblable au calcium!

Sr-97: T _½ ~2.8 heure

Iode Iode - - 131 131

1. Demi-vie ~ 8 jours;

2. Volatile et hautement actif.

Traitement m

Traitement m é é dical dical de la Thyro

de la Thyro ï ï de avec I de avec I - - 131 131

Autres applications Autres applications

du nucl

du nucl é é aire aire

Conservation des aliments et Conservation des aliments et

st st é é rilisation par irradiation Gamma rilisation par irradiation Gamma

Radiographie

Radiographie

Image par r

Image par r é é sonance magn sonance magn é é tique tique

Tomographie par

Tomographie par é é mission mission de positrons

de positrons

Th Th é é rapie au rayonnement rapie au rayonnement

Activation neutronique Activation neutronique

Principe

Signature unique de

chaque élément

D D é é tecteur de fum tecteur de fum é é e: Am e: Am - - 241 241