Chapitre 15 – Transformation nucléaire
Activité : Transformation nucléaire
L’énergie électrique utilisée en France est majoritairement produite à partir de centrales nucléaires dont le fonctionnement repose sur des transformations nucléaires.
L’Allemagne produit la majeure partie de son énergie électrique à partir de centrales à flamme à combustible fossile (plus précisément à charbon).
Les objectifs de l’activité sont :
- découvrir les transformations nucléaires, fondamentales dans votre vie quotidienne ;
- émettre un avis critique sur l’utilisation des différents types de centrales pour produire de l’énergie électrique.
• Les isotopes
Le minerai d’uranium naturel est principalement composé de deux types d’atomes d’uranium : 99,3 % d’uranium 238 238U et 0,7 % d’uranium 235 235U.
Le noyau d’uranium 235 est le seul noyau utilisable dans les centrales nucléaires.
1- a- Donner la composition des deux noyaux d’uranium :
Noyaux Nombre de nucléons Nombre de protons Nombre de neutrons
23592 235 92 235 – 92 = 143
23892 238 92 238 – 92 = 146
b- Sachant que ces deux noyaux sont isotopes, donner la définition de noyaux isotopes.
Les isotopes ont le même nombre de protons mais diffèrent par leur nombre de neutrons.
(même symbole, même Z, A différent)
• La fission nucléaire
Vidéo à visionner :
http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/fission.aspx
La fission consiste à projeter un neutron sur un noyau lourd instable (uranium 235 ou plutonium 239). Ce dernier éclate alors en deux atomes plus légers.
Cela produit de l’énergie et 2 ou 3 neutrons capables à leur tour de provoquer une fission. Et ainsi de suite, c’est le mécanisme de la réaction en chaîne.
Correctement maîtrisée, la réaction de fission en chaîne constitue la source d’énergie primaire nécessaire à la production d’électricité en France.
Exemple d’une équation de réaction de fission
Modélisation de la réaction :
2- Expliquer comment la réaction de fission en chaîne peut devenir incontrôlée. Cette situation est-elle recherchée ? Non
Une fission peut en induire 3 autres, qui elle-même en induiront d’autres, etc. Le nombre de fission croît très rapidement, ce qui génère une explosion. Cette situation n’est pas recherchée.
On utilise des modérateurs (eau liquide et barres de contrôle) pour ralentir des neutrons.
Chapitre 15 – Transformation nucléaire
• La fusion nucléaire
Vidéo à visionner :
http://www.cea.fr/multimedia/Pages/animations/radioactivite/reaction-de- fusion.aspx
À la fin du 19ème siècle, aucune source d’énergie connue (gravitationnelle ou chimique) n’est capable d’expliquer que le Soleil ait pu briller aussi longtemps au rythme observé.
En 1938, le physicien américain Hans Albrecht Bethe (1906 – 2005) est le premier à proposer une explication précise de la production d’énergie des étoiles grâce à des réactions de fusion nucléaire. Au cœur des étoiles, l’hydrogène est le principal carburant de cette production d’énergie : deux noyaux d’hydrogène s’assemblent pour former un noyau d’hélium et deux noyaux d’hélium peuvent ensuite former un noyau de béryllium. Ainsi, les noyaux les plus lourds sont formés par fusion de noyaux plus légers.
Exemple d’une équation de réaction de fusion :
Modélisation de la réaction :
Le phénomène de fusion n’est pas observable naturellement sur Terre puisqu’il nécessite que deux noyaux - qui ont une tendance naturelle à se repousser car chargés électriquement positivement - entrent en collision.
3- Expliquer pourquoi la fission et la fusion sont qualifiées de transformations nucléaires et pas de transformations chimiques ou physiques.
Transformation physique : conservation de l’espèce chimique ; transformation chimique : conservation de l’élément et de la charge électrique, il y a échange d’électrons.
Transformation nucléaire : il y a modification du noyau.
Il y a modification des noyaux dans la fission et la fusion : ce sont donc des transformations nucléaires.
• Centrale thermique à combustible fossile Lien : https://tinyurl.com/y4lekmjl Les combustibles peuvent être, par exemple, du charbon C ou du méthane gazeux CH4. Leur combustion en présence de dioxygène dans la chaudière produit du dioxyde de carbone et de l’eau.
Écrire l’équation ajustée de la réaction de combustion :
- du charbon dans une centrale à flamme : C + O2→ CO2
- du méthane dans une centrale à flamme : CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O
• Centrale thermique à combustible nucléaire
Lien : https://tinyurl.com/y36x7rqk
5- Quel que soit le type de centrale, 2 changements d’état physique ont lieu et participent au processus permettant la production d’énergie électrique.
Equation des 2 changements d’états : H20(l)→ H20(g) : vaporisation
H20(g)→ H20(l) : liquéfaction
