UE LXSTS : Énergie dans l’avenir Partie : Énergie Nucléaire - Fission et fusion Wilfrid da Silva

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UE LXSTS : Énergie dans l’avenir

Partie : Énergie Nucléaire - Fission et fusion

Wilfrid da Silva¹ F. Kapusta²

1 University of Paris 6 , LPNHE Paris 2 CNRS/IN2P3 , LPNHE Paris

Contact : dasilva@in2p3.fr

Dans ce poly, seuls les éléments présenté en cours sont susceptibles d’être à l’examen.

Wilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LXSTS : Énergie dans l’avenir

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

Première partie I

Cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire

1

La nécessité de nouvelle source d’énergie La population mondiale

Les hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergie Le futur du gaz comparé à celui du pétrole

2

La fission et la production d’énergie

Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire L’énergie de liaison du noyau

Les noyaux fissiles et les noyaux fertiles

Wilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LXC10 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire

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La population mondiale

Les hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergie Le futur du gaz comparé à celui du pétrole

Plan-Contenu

1 La nécessité de nouvelle source d’énergie La population mondiale

2 La fission et la production d’énergie

Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire L’énergie de liaison du noyau

Les noyaux fissiles et les noyaux fertiles

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La population mondiale va continuer de croître

La population mondiale est de 6 641 528 201 personnes samedi 8 septembre 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

FIG. 1:Répartition de la population FIG. 2:Évolution de la population mondiale

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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 été multiplié en Chine (Inde) par 192 % (240 %).

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Plan-Contenu

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Les hydrocarbures : notre principale source actuelle d’énergie

Le pétrole

,

du latin petra pierre et oléum huile (soit huile de pierre), est uneroche liquide carbonée, ou huile minérale. Énergie fossile, son exploitation est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car il fournit la quasi totalité des carburants liquides. Le pétrole est aussi souvent appelé or noir en référence à sa couleur et à son coût élevé.

Un petit peu d’histoire :

Les feux éternels (gaz naturel)ont été l’objet de culte à Kirkouk il y a6 000 ans.

Les Chinois, il y a 3000 ans, exploitent du gaz(forage au bambou à 200 m) Le bitume est signalé dans la Bible (Mer Morte). Il a été utilisé dés l’antiquité pour l’étanchéité des bateaux, comme mortier pour les maisons ou les sculptures.

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

Les sables bitumineux ont été exploités à Pechelbronn dés 1735.

Les schistes bitumineux ont été exploités comme combustibles vers 1750 en Chine et vers 1850 en France à Autun et en Écosse.

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

Le premier forage moderne (à câble) a eu lieu en 1848 à Bakou (capitale de l’Azerbaidjan), en 1854 en Pologne, en 1858 au Canada et enfin en 1859 aux États-Unis avec Drake.

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

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Les hydrocarbures : de la génération à la récupération Générations des hydrocarbures

Un champ de pétrole est habituellement une superposition de gaz surmontant l’huile.

Les hydrocarbures sont contenues dans les pores des roches et peuvent être produits si la roche est perméable (pores connectés).

Dans un champ,les pores contiennent du pétrole, du gaz (dissous, associé ou non) et de l’eau.

Le pétrole est caractérisé par sa densité sa viscosité et sa teneur en soufre.

Le pétrole est suivant sa densité spécifique (Les limites sont mal définies.)

extra-lourd lourd medium-léger

Le condensât représente une partie des gaz qui deviennent liquides naturellement à la sortie du puit. Les liquides de gaz sont extraits dans une usine de traitement de gaz.

Le bitume est du pétrole visqueux qui ne coule pas en conditions normales.

plate-forme de forage

Derrick : grande tour porteuse Drill bit : foret perforateur

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Les hydrocarbures : de la génération à la récupération

Récupération des hydrocarbures

La récupérationprimairedu pétrole se fait par expansion de l’huile et du gaz.

La récupérationsecondairese fait en injectant dans des puits supplémentaires de l’eau (plus bas) ou du gaz (plus haut).

La récupérationtertiaire(ou EOR Enhanced Oil Recovery) se fait par modification des caractères physiques de l’huile ou de l’eau.

Description d’une pompe

Well head : (tête du puit)

inclut le tube de pompage, une boite de bourrage, et diverses valves et tuyaux pour diriger l’extraction du pétrole et du gaz vers la surface.

Cement : (ciment) employé

pour remplir l’espace entre le trou et l’enveloppe. Ceci empêche les mouvements de fluides (eau, pétrole, ou gaz) entre les diverses couches.

Pump : (pompe)

envoie le fluide obtenu pendant la production du pétrole dans la tuyauterie et les ascenseurs vers la surface.

Pompe, il y a 50 ans....

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

East Texas (véritable mythe de l’histoire pétrolière)

est le plus grand gisement pétrolier jamais trouvé aux États-Unis en dehors Prudhoe Bay (Alaska).

Il s’étale sur500 km²et fut découvert en1930par 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). Il est aujourd’hui pratiquement épuisé, avec une production de l’ordre de 10 kbbls/j .

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

Utilisation de nouvelle technologies (injection d’eau, de vapeur, puits horizontaux, etc..)⇒diminution du déclin et augmentation de l’ultime ?

Avant déclin :→1972

Injection d’eau en 1962⇒remontée de la production.

Aprés déclin : 1972→aujourd’hui 1972→1986 (3,7 %) Ultime 6 Gb 1986→aujourd’hui (7 %) Ultime 5,38 Gb 1 baril (bbl)∼159 l.

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Plan-Contenu

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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∼24Gb/a.

Liquide gaz (éthane, propane, ect ..)∼2,3Tm³/a.

Les Ultimes des liquides

2000 Gb pour les conventionnels(pétrole, gaz, ect ..) 750 Gb pour les non-conventionnels(exemple : gisement offshore profond ou au delà du cercles polaires, ect ..)

Les Pics de production

Pic des liquides conventionnels vers 2010.

Pic des liquides non-conventionnel en 2060 (⇒

grands investissements et de délais très long (cf projet minier, ect ..))

Un pic de consommation pétrole + gaz a été atteint en1979 de 7 bep/habitantet après un creux la consommation individuelle culmineravers 2005vers un pic moindre de∼6.5 bep/habitantpour décliner à jamais (bep = baril équivalent pétrole).

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

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Le besoin de nouvelle ressource énergétique

Extinction progressive des Énergies fossiles d’ici à 40-50 ans

⇒ besoin de nouvelle ressource énergétique

1 Après la fusion avec Amoco et Arco, en juillet 2000, BP présente son nouveau logo comme signifiant" Beyond Petroleum "(pour montrer leurs efforts vers le renouvelable ?)

2

Uranium,Plutonium,thorium,... (Fission)

(production industrielle d’électricité dans de nombreux pays par la fission de l’uranium)

3

deutérium,tritium,... (Fusion)

(seulement au stade expérimentale- on ai encore loin de la production industrielle)

4 Énergie renouvelable(voir partie II)

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Plan-Contenu

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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 la production d’électricité)

France : 58 réacteurs réparties sur 19 sites. Les réacteurs sont administrés 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 traité de non prolifération des armes nucléaire)(consommation en or noir multiplié par 240 % en 20 ans)

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

Japon : 51 réacteurs

Corré du Sud (nord) : 20 (3 réacteurs en cours de démantelement ?) 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 LXC10 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire

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

2 Réacteurs à Eau Préssurisée

(REP 900) Puissance totale : 1830 MW

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Parc nucléaire en France : autour de Paris

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

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

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

La centrale de Gravelines se situe en bord de mer, à égale distance (20 kilomètres) de Dunkerque et de Calais.

La centrale fonctionne avec 6 réacteurs de 910 MW. En 2006, ils ont produit 38,4 milliards de kWh . PUB ⇒ En amont du site, une ferme aquacole utilise une partie des eaux tièdes traitées et issues de la centrale pour produire chaque année 6 millions d’alevins de bars et 1,5 million d’alevins de daurades royales.

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

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Principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire

Une centrale nucléaire est une usine de production d’électricité.

Même principe de

fonctionnement que celui des centrales thermiques classiques fonctionnant avec du charbon, du pétrole ou du gaz.

Mais on utilise la chaleur libérée par l’uranium qui constitue le

"combustible nucléaire".

Dans les centrales nucléaires françaises, relevant de la filière à eau sous pression, la production d’électricité, ainsi que le refroidissement et l’évacuation de la chaleur, s’effectuent selon le processus suivant : Circuit primaire, secondaire et de refroidissement.

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Le circuit primaire et secondaire (en plus)

Circuit primaire : permet d’extraire la chaleur

L’uranium, légèrement "enrichi" dans sa variété - ou "isotope"- 235, est conditionné sous forme de petites pastilles. Celles-ci sont empilées dans des gaines métalliques étanches réunies en assemblages. Placés dans une cuve en acier remplie d’eau, ces assemblages forment le coeur du réacteur.

Ils sont le siège de la réaction en chaîne, qui les porte à haute température. L’eau de la cuve s’échauffe à leur contact (plus de 300C). Elle est maintenue sous pression, ce qui l’empêche de bouillir, et circule dans un circuit fermé appelé circuit primaire.

Circuit secondaire : permet de produire la vapeur

L’eau du circuit primaire transmet sa chaleur à l’eau circulant dans un autre circuit fermé : le circuit secondaire. Cet échange de chaleur s’effectue par l’intermédiaire d’un générateur de vapeur.

Au contact des tubes parcourus par l’eau du circuit primaire, l’eau du circuit secondaire s’échauffe à son tour et se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner la turbine entraînant l’alternateur qui produit l’électricité. Après son passage dans la turbine, la vapeur est refroidie, retransformée en eau et renvoyée vers le générateur de vapeur pour un nouveau cycle.

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Plan-Contenu

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Description de la matière nucléaire

Nucléons

^⇒rappel sous forme de quiz

Énergie de liaison des noyaux

⇒explication de la fission

Modélisation

⇒goutte liquide (ici), modèle en couche (cf Master)

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La composition des atomes

( 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 sont constitués à partir d’atomes ou d’assemblages d’atomes (molécules...). Contrairement à son étymologie, l’atome n’est pas indivisible. Comment est-il constitué ?

Un atome est composé :

d’un noyau centralqui est un assemblage deprotonset deneutrons. Les protons et les neutrons constituent les nucléons (du mot grec nucléus signifiant noyau) ; d’un nuage périphériquecomposé d’un cortèged’électrons, qui tournent è des vitesses prodigieuses autour du noyau. Il est impossible de vraiment se représenter leurs trajectoires : seules des formules mathématiques permettent de prédire dans le nuage qu’ils forment autour du noyau, les zones où l’on a le plus de chances de les rencontrer.

Il existe beaucoup d’atomes différents mais ils sont tous fabriqués à partir de protons, de neutrons et d’électrons tous identiques.

Les tailles d’un atome et de son noyau

le diamètre du nuage électronique sphérique de l’atome est de l’ordre de10⁻¹⁰mètre. Cette taille est vraiment minuscule. Pour atteindre un centimètre, il faudrait aligner 100 millions d’atomes.

le noyau est encore beaucoup plus petit. Il occupe une sphère d’un diamètre de10⁻¹⁵ mètreen moyenne, soit près de 100 000 fois plus petite que l’atome avec son nuage d’électrons.

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Quelques caractéristiques des atomes La masse de l’atome :

Dans l’atome, la masse n’est pas répartie de façon homogène. Lesprotonset les neutronsont à peu près lamême masse, mais ils sont environ2 000 fois pluslourds qu’un électron

la matière dont est fait un noyau est un million de milliards de fois plus dense que la matière ordinaire. Si tous les noyaux de la Terre venaient à se toucher, notre planète aurait à peine plus de cent mètres de diamètre et un grain de sable pèserait plus d’une tonne.

Pourestimer la masse d’un noyau, il suffit donc de connaître son nombre de nucléonsA (appelé aussi nombre de masse). Sachant que lamasse d’un nucléonest d’environ1,67 10⁻²⁷kg, il est facile de calculer une masse

approximative d’un atome. Cependant, le résultat du calcul n’est qu’une estimation (voir la fusion et fission).

La charge électrique de l’atome

leneutronne porte pas de charge électrique, il estneutre, d’où son nom.

unprotonporte unecharge positive.

unélectronporte unecharge négative.

Unatomedans son état normal comprend autant de protons que d’électrons. Il est donc électriquement neutre.

Cependant, dans certaines conditions (réactions chimiques...),l’atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons et peutalors être chargé positivement ou négativement. Il est alorsappelé ion.

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Les atomes ayant les mêmes caractéristiques chimiques Les éléments chimique :

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

les atomes présents naturellement sur Terre appartiennent à 90 éléments chimiques comprenant de 1 à 92 protons. Les éléments chimiques, technétium (Tc) avec 43 protons et prométhéum (Pm) avec 61 protons, n’existent pas à l’état naturel. Ils peuvent cependant être créés artificiellement ainsi que d’autres éléments chimiques comprenant plus de 92 protons comme, par exemple, le plutonium (Pu) avec 94 protons.

Les isotopes

les atomes d’un élément chimique comportant un nombre différent de neutrons sont des isotopes de cet élément.

les isotopes sont en quelque sorte des atomes frères qui possèdent les mêmes propriétés chimiques mais un nombre différent de neutron.

Tous lesisotopes de l’hydrogène ont un proton et zéro, un ou deux neutrons. Ce sontl’hydrogène léger(appelé souvent hydrogène tout court car c’est le plus répandu),l’hydrogène lourd ou deutérium, et le tritium.

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Le classement des atomes

Le nom des atomes :

Un atome se caractérise par son nombre de protons (identique à celui des électrons) et par son nombre de neutrons.

l’atome est appelé par le nom de son élément chimique suivi de son nombre total de nucléons (nombre de masse). Par exemple, oxygène 16, fer 59.

Le nom de l’élément chimique permet de connaître le nombre de ses protons. Et du nombre de ses nucléons, par soustraction du nombre de ses protons, on peut déduire le nombre de ses

neutrons.Wilfrid da Silva (Énergie Nucléaire - Fission et fusion) UE LXC10 - cours 1 : Énergie liberée par la matière nucléaire

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Les quatre forces (interactions) fondamentales

L’interaction électromagnétique :

L’interaction électromagnétique se manifeste sous deux formes, la force électrique et la force magnétique.

L’interaction forte

L’interaction forte, ou force nucléaire forte, assure la cohésion du noyau en faisant fortement s’attirer les nucléons. Elle ne s’exerce qu’à des distances très courtes, quelques diamètres de noyaux. A distance égale, elle est 100 à 1 000 fois plus intense que l’interaction électromagnétique.

L’interaction faible

l’interaction faible, ou force nucléaire faible, est responsable de certains phénomènes de la radioactivité (par exemple, la radioactivité bêta). Sa portée est extrêmement faible, de l’ordre de quelques centièmes de la taille d’un nucléon, mais elle régit les réactions thermonucléaires qui permettent au Soleil et aux étoiles de produire de l’énergie. Elle est environ 100 000 fois plus faible que l’interaction forte.

La gravitation

La gravitation, responsable de l’attraction des masses, explique la pesanteur et le mouvement des corps célestes.

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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 nucléaire forte et la force électrique.

Effet de la force électrique :

La force électrique n’agit que sur des particules chargées, attirant celles qui sont de signe opposé et repoussant celles de même signe.

Cette force agit à longue distance

Les électrons , porteurs d’une charge négative sont retenus autour du noyau chargé positivement.

Les neutrons, en raison de leur absence de charge, ne sont pas soumis à la force électrique.

La force électrique a tendance à repousser les protons, tous de même signe.

Compensation des forces électriques et nucléaire pour assurer la cohésion du noyau.

Effet de la force nucléaire :

Dans le noyau, les protons et les neutrons restent bien associés.

Cette constatation permet de dire que :

la force nucléaire n’agit qu’à très courte distance sur les protons et les neutrons.

la force nucléaire est plus intense pour ces courtes distances que la force électrique.

la force nucléaire ne peut pas compenser à l’infini la force électrique pour la cohésion des protons et des neutrons dans les noyaux et lorsqu’il y a beaucoup de protons, les noyaux des atomes sont moins liés et deviennentinstables.

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Einstein (1905) : Équivalence entre Énergie et Matière

On peut mesurer précisément la masse des noyaux, celle du proton ou du neutron et on constate quela masse des noyaux est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons.

Qu’est devenue la masse manquante ? Cette masse ne disparaît pas mais se

transforme en énergie de liaisond’où la célèbre formule d’Einstein :E=mc² qui exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie (c=

vitesse de la lumière dans le vide'300 000 km/s).

L’énergie de liaison(BE)est l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour qu’il soit dissocié en nucléons isolés.

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

On exprime la masse d’un noyau (M(^A_ZX) ) en fonction de la masse des protonsmp, des neutronsmnet de l’énergie de liaison des nucléonsBE(A,Z):

M(^A_ZX)c²=Zmpc²+ (A−Z)mnc²−BE(A,Z)

Courbe d’Aston

BE

A augmente jusqu’aux noyaux de masse moyenne (voisine de celle du fer 56) et décroît ensuite.

Les noyaux possédant des énergies^BE_A relativement faibles (A petit ou A grand) peuvent se transformer en des noyaux plus stables (A moyen) en libérant de l’énergie.

L’énergie nucléaire se libère si le noyau fusionne avec un autre noyau ou si il fissionne en se cassant..

(30)

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

M(

^A_Z

X) = Zm

p

+ (A − Z)m

_n

− BE(A, Z)/c

²

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

²

))

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Exemple de fission de noyaux lourds : la fission de l’uranium

²³⁵₉₂

U

Définition

La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd se scinde généralement en deux noyaux moyens sous l’impact d’un neutron. La réaction se fait avec perte de masse et donc dégagement d’énergie.

Exemple

L’uranium²³⁵₉₂Upeut fissioner, on dit qu’il est fissile. Une des réactions possibles s’écrit :

1

0n+²³⁵₉₂U→¹⁴⁰₅₆Ba+⁹⁴₃₆Kr+z¹₁p+y¹₀n Loi de conservation de la charge électrique et du nombre de nucléons : la somme des nombres de charges (nombres de nucléons) 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=0ety=2

Aspect énergétique de la fission

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

l’énergie totale dans l’état initial vaut : Tc(n)(∼0) +mnc²+Tc`₂₃₅

92U´

(∼ 0) +92mpc²+ (235− 92)mnc²−BE`₂₃₅

92U´

l’énergie totale dans l’état final vaut : Tc

`₁₄₀

56Ba´

+56mpc²+ (140−56)mnc²−BE`₁₄₀

56Ba´ + Tc

`₉₄

36Kr´

+36mpc²+ (94−36)mnc²−BE`₉₄

36Kr´ + 2mnc²+Tc(n1) +Tc(n2)L’énergie cinétique libérée dans cette réaction est (c=1) :

Q≡ mn+M“

235 92U”

−M“

140 56Ba”

−M“

94 36Kr”

−2mn

= BE

“140 56Ba

” +BE

“94 36Kr

”

−BE

“235 92U

”

= 1169,42+791,76−1783,42

∼ 178 MeV(1MeV=10⁶1,610⁻¹⁹J) L’énergie de fission libérée est utilisée dans les réacteurs nucléaires. Ceux-ci produisent actuellement le sixième de l’électricité consommée dans le monde, le tiers en Europe et les trois quarts en France.

(32)

Plan-Contenu

(33)

Les noyaux fissiles et les noyaux fertiles

Noyaux fissiles

Il y a pricipalement quatre nucléides, appelés noyaux fissiles qui peuvent fissionner sous l’impact d’un neutron.

233

92

U,

²³⁵₉₂

U,

²³⁹₉₄

Pu et

²⁴¹₉₄

Pu

Seul l’uranium²³⁵₉₂Uest un isotope naturel.

Noyaux fertiles

Il y a pricipalement deux nucléides, appelés noyaux fertiles qui peuvent se transformer en noyau fissile par capture d’un neutron :²³⁸₉₂

U et

²³²₉₀

Th

n+²³⁸₉₂U⇒²³⁹₉₂U^β

−

⇒²³⁹₉₃Np^β

−

⇒²³⁹₉₄Pu n+²³²₉₀Th⇒²³³₉₀ Th^β

−

⇒

22m 233

91Pa^β

−

⇒

27j 232

92U

On a une grande abondance des noyaux fertiles réserve de²³⁸₉₂U∼140 réserve de²³⁵₉₂U réserve de²³²₉₀Th∼3-4 réserve de²³⁸₉₂U

Section efficace de capture du thorium²³²₉₀Thd’un neutron d’énergie comprise entre 50 keV and 2 MeV

(34)

Première série d’exercices Deuxième série d’exercices

Deuxième partie II

Exercices sur : Énergie libérée par de la matière fissile

3

Première série d’exercices

Unité - Ordres de grandeur ( population mondiale, pétrole, gaz, ect .. )

Structure élémentaire de l’atome Éléments à connaître

4

Deuxième série d’exercices Énergie de fission Masses des noyaux

Noyaux fissiles et les noyaux fertiles

(35)

Unité - Ordres de grandeur ( population mondiale, pétrole, gaz, ect .. ) Structure élémentaire de l’atome

Éléments à connaître

Plan-Contenu

3 Première série d’exercices

4 Deuxième série d’exercices Énergie de fission Masses des noyaux

Noyaux fissiles et les noyaux fertiles

(36)

Unité

1 Combien d’unité fondamentale le système international (ou système S.I.) d’unités comprend ?

2 Le système international (ou système S.I.) d’unités comprend sept unités fondamentales

3 Nommés pour chacune des unité fondamentale, la grandeur, la dimension, unité et le symbole de l’unité, exemple : grandeur dimension unité symbole de l’unité

LONGUEUR L mètre m

grandeur dimension unité symbole de l’unité

LONGUEUR L mètre m

MASSE M kilogramme kg

TEMPS t seconde s

INTENSITE DU COURANT I ampère A

QUANTITE DE MATIERE n mole mol

TEMPERATURE ABSOLUE T kelvin K(0^oC=273,15 K)

INTENSITE LUMINEUSE I candela cd

4 Les préfixes qui peuvent précéder n’importe quelle unité du système SI. Donner la valeur en mètre des dimensions suivantes :

(kilo) 1 kilomètre = 1 km = 10³m - (mega) 1 mégamètre = 1 Mm - (giga) 1 gigamètre = 1 Gm (péta) 1 pétamètre = 1 Pm - (tera) 1 teramètre ) 1 Tm - (exa) 1 examètre = 1 Em

(déca) 1 décamètre = 1 dam - (hecto) 1 hectomètre = 1 hm -(déci) 1 décimètre = 1dm (centi) 1 centimètre = 1 cm - (milli) 1 millimètre = 1 mm - (micro) 1 micromètre = 1µm (nano) 1 nanomètre = 1 nm - (pico) 1 picomètre = 1 pm

(femto) 1 femtomètre = 1fm - (atto) 1 attomètre = 1 am

5 Combien de mètre vaut un Angstroem ?

(37)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

1 100 millions de personnes ?

2 1 milliard de personnes ?

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ?

3

Le nucléaire civile permet de produire

1 des énergies fossiles ?

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4 de l’électricité ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

4 10 siècles

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ?

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP ?

(38)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

4 10 milliard de personnes ?Réponse : 5 milliard de personnes

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ?

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

4 10 siècles

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ?

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP ?

(39)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ? Réponse : OUI

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

4 10 siècles

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ?

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type

REP ?

(40)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ? Réponse : OUI

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4 de l’électricité ? Réponse : de l’électricité

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

4 10 siècles

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ?

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type

REP ?

(41)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ?

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

4 10 sièclesRéponse : 50 ans

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ?

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP ?

(42)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ?

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ? Réponse : OUI

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP ?

(43)

Ordre de grandeur : population mondiale, pétrole, gaz, etc ...

1

La population mondiale est plus proche de

2

La population mondiale est telle en augmentation ou en diminution ?

3

Le nucléaire civile permet de produire

2 du charbons ?

3 du pétroles ?

4

La fin de toutes les réserves mondiales de gaz et de pétrole conventionnels est prévue par les experts d’ici

1 10 ans

2 50 ans

3 1 siècle

5

La fin des réserves mondiales de pétrole conventionnels est-elle prévue avant celle du gaz ? Réponse : OUI

6

Quelle est le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire de type REP ? Réponse : voir schéma

(44)

Plan-Contenu

3 Première série d’exercices

4 Deuxième série d’exercices Énergie de fission Masses des noyaux

Noyaux fissiles et les noyaux fertiles

(45)

Structure de l’atome

1 Laquelle des particules ci-dessous ne fait pas partie des particules atomique fondamentale (encadrez les) :

électron - neutron - proton - alpha

2 le positon est l’antiparticule de (encadrez la bonne réponse) : électron - neutron - proton

3 La charge de l’électron est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C

4 La charge du neutron est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C

5 La charge du proton est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C

6 Un nucléon est un (encadrez la bonne réponse) : électron - neutron - proton - alpha

7 Dans la notation^A_ZX, A est (encadrez la bonne réponse) : le numéro atomique - le nombre de masse

8 Dans la notation^A_ZX, Z est (encadrez la bonne réponse) : le numéro atomique - le nombre de masse

9 Dans la notation^A_ZX, A représente (encadrez la bonne réponse) : le nombre de protons -le nombre de neutrons - le nombre de nucléons

10 Dans la notation^A_ZX, Z représente (encadrez la bonne réponse) : le nombre de protons -le nombre de neutrons - le nombre de nucléons

(46)

Structure de l’atome

électron - neutron - proton - alpha Réponse : alpha

2 le positon est l’antiparticule de (encadrez la bonne réponse) : électron - neutron - proton

(47)

Structure de l’atome

2 le positon est l’antiparticule de (encadrez la bonne réponse) : électron - neutron - proton Réponse : électron

(48)

Structure de l’atome

3 La charge de l’électron est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C Réponse :−1,6 10⁻¹⁹C

(49)

Structure de l’atome

3 La charge de l’électron est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C Réponse :−1,6 10⁻¹⁹C

4 La charge du neutron est de (encadrez la bonne réponse) : 0 C :1,6 10⁻¹⁹C:−1,6 10⁻¹⁹C Réponse :0 C