Le Fonctionnement de l'énergie Nucléaire

 centrale-nucleaire-tours.jpg

 

 Il faut savoir que l'énergie nucléaire se divise en deux parties : la fission nucléaire, puis la fusion nucléaire que nous aborderons rapidement. Elles ont toutes deux la caractéristique d'agir sur le noyau de l'atome  pour produire de l'énergie. Nous étudierons ensuite le fonctionnement d'une centrale nucléaire à fission.

   Pour comprendre les paragraphes suivant, certaines informations pourront vous être utiles. Commençons par étudier les particules élémentaires que nous pourrons aborder:elementaire.png

                                                       

   Enfin expliquons les notations que nous utiliserons:

     nzX

   -nombre n de nucléons (protons et neutrons dans le noyau )                                           

   -nombre de z de protons

   - atome X 



   1- La fusion nucléaire

   

   La fusion nucléaire n'en est qu'au stade expérimental, et n'est pour l'instant utilisée que dans des réacteurs expérimentaux car les quantités d'énergies émises et absorbées sont très importantes, si bien qu'elles sont encore très difficiles à maitriser. En effet, la chaleur au coeur du réacteur est telle qu'elle transforme toute matière en plasma, y compris les matériaux environnats. Pour contourner cette contrainte, on utilise des champs magnétiques puissants qui confinent le plasma. Le réacteur ITER dont la construction démarre seulement, permettra de démontrer la production continue d'énergie à partir de la fusion.

   Le principe est que dans un milieu porté à plusieurs millions de degrés, les noyaux des atomes fusionnent entre eux, produisant de nouveaux atomes ainsi qu'une très grande quantité d'énergie. L'exemple de réaction le plus souvent utilisé, car présent notamment dans le soleil et les réacteurs expérimentaux est le suivant:

2H + 3H →4He + 1n


fusion nucléaire


   2 - La fission nucléaire


  Il serait difficile de faire un TPE traitant en partie de l'énergie nucléaire sans parler de la radioactivité. Dans les paragraphes suivants, nous étudierons en détails ce principe naturel:  


2.1 - Principe de radioactivité


   La radioactivité se présente sous plusieurs formes et dépend de l'atome et de l'isotope choisi. Elle consiste en une désintégration d'atomes émettant des particules et des rayonnements γ, et est toujours spontanée (elle se fait de façon naturelle). Elle est naturellement présente partout, dans tous les éléments nous entourant. Son unité est le Becquerel, et nous informe du nombre de désintégrations atomiques en 1 seconde. Ainsi, 1 Becquerel signifie une désintégration par seconde.

Il faut savoir que le corps humain possède une radioactivité de 130 Bq/kg. Quant à l'eau douce, sa radioactivité est de seulement 0,1Bq/l.

→Notre expérience: test de radioactivité. A l'aide d'un appareil de mesure capable d'émettre un son à chaque désintégration, nous déterminons parmi plusieurs roches lesquelles sont radioactives

sans-titre-12-2.png

 

       

                                           



courbe de stabilité

 


2.2 - les noyeaux stables 

 

   Ces isotopes forment une courbe nommée la vallée de stabilité sur le graphique du nombre de neutrons en fonction du nombre de protons. Ils ne sont pas touchés par la radioactivité. Cette vallée de stabilité s'arrête à environ 85 protons: il y a ensuite les isotopes lourds instables.

  On observe sur ce graphique que les isotopes des atomes se divisent en quatre groupes :

-Les atômes stables

-Les émetteurs de α

-Les émetteurs de β+ 

-Les émetteurs de β-  

(avec n nombre de neutrons et z le nombre de protons dans le noyau). 



2.3 - les noyeaux émetteurs de α


   Les atomes très lourds sont voués à se désintégrer en émettant une particule alpha, un noyau d'Hélium 4 (soit 2 protons et 2 neutrons). En effet, les atomes lourds ne peuvent rester stables: les forces éléctromagnétiques qui agissent sur les protons les obligent à se repousser. Dans les atomes moins lourds, les neutrons du noyau parviennent à compenser cette force. Cependant, les atomes émetteurs de particules α possèdent trop de protons, et ne peuvent pas compenser ce surplus avec leurs neutrons, et cherchent donc à se débarasser de ce surplus en émettant ces particules.  Le rapprochement vers un isotope stable peut se faire en plusieurs étapes. Cette radioactivité agit à faible portée ou au contact, et peut etre stoppée par une feuille de papier ou quelques centimètres d'air.

22688Ra → 42He + 22286Rn


   Nous avons modélisé des noyaux alpha sur ce document

                               ↓

modelisation-du-noyau-des-atomes-1.docx modelisation-du-noyau-des-atomes-1.docx


 

 

2.4 - Les noyeaux émetteurs de β- :


111.png

   

 

 Les radioactivités β ont pour origine un manque de force faible. Mais leurs effets diffèrent, même si le but reste d'atteindre un isotope stable. En effet, la radioactivité β- change un neutron neutre (up+down+down=(+2/3)+(-1/3)+(-1/3)=0) en proton chargé d'une charge positive(up+up+down=(+2/3)+(+2/3)+(-1/3)=1) : il y a eu passage d'un quark down vers un quark up. Cela se traduit par l'émission d'un boson W-, vecteur de la force faible.

  Ce boson étant instable, il se désintègre en produisant un électron et un antineutrino (particule élémentaire énergétique assurant ici la conservation d'énergie. Il est semblable au neutrino). Le plus important à retenir est le passage d'un neutron vers un proton, associé à la production d'un électron. En effet, ce modèle assure la conservation des charges et des masses, et est beaucoup moins complexe que le modèle comprenant le boson W- et l'antineutrino. On peut prendre l'exemple du carbone 14 qui se change en azote. L'émission β- a une portée de quelques mètres dans l'air et peut être stoppée par une simple feuille d'aluminium.

146C → 0-1e- (+ v-)+ 147N

 

 

2.5 - Les noyaux émetteurs de β+


2222.png

 

   La radioactivité β+ est le contraire de la radioactivité β- . En effet, ici, c'est le proton chargé (up+up+down=1) qui se change en neutron neutre (up+down+down=0) : le passage s'est ici fait du quark up vers le quark down. Ce passage se traduit par la production d'un boson W+, également vecteur de la force faible et instable. Ce boson en se désintégrant produit un antiélectron (ou positron, qui est en fait un électron positif) et un neutrino.

Ce modèle peut lui aussi être simplifié: Le plus important à retenir est qu'il y a passage d'un proton vers un neutron, émettant un positron. En effet, ce modèle suffit lui aussi à assurer la conservation des masses et des charges. Par exemple, le neon 18 se transforme en fluor.

Comme la radioactivité β- , elle a une portée de quelques mètres dans l'air et peut aussi être stoppée par une feuille d'aluminium.

                                                                                                                                                1810Ne → 0+1e+ (+ v ) + 189F

 



2.6 - Emission de rayonnement électromagnétique γ

   

Lors de l'émission de particules et de la transformation du noyau, un "surplus" d'énergie se forme parfois (en effet, la probabilité d'émission de rayonnement γ change en fonction de l'atome).

Ce surplus d'énergie est  libéré lors du rejet d'un photon excité (longueur d'onde du rayonnement dans le vide inférieure à 5.10-12mètres) fortement ionisant. Il a pour effet d'exciter les électrons du cortège électronique, comme tout rayonnement électromagnétique. Cette excitation se traduit par un éloignement de l'électron du noyau.

Cependant, dans le cas d'un rayon ionisant, l'énergie absorbée est telle que l'électron est expulsé, formant un ion aux propriétés différentes. Ce rayonnement est absorbé seulement par du plomb ou une couche de béton d'au moins 80cm d'épaisseur. Ce rayonnement représente le principal danger de la radioactivité : en effet, il a la capacité de traverser les cellules, et donc a pour capacité de modifier l'ADN, comme l'expérience sur les levures, que nous verrons dans une autre partie.




2.7 - Principe de demie vie et de décroissance radioactive

 

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   Un isotope radioactif perd la moitié de son activité au bout d'une période nommée demie-vie.

   En effet, la désintégration d'atomes entraine leur transformation en un isotope stable: c'est le principe de décroissance nucléaire. Cependant, l'isotope a une activité radioactive de 1/4 au bout de deux demies vies , et de 1/8 au bout de trois

   La demie vie peut varier de quelques dizaines de secondes a plusieurs millions d'années. Au bout de n demie vies , l'activité correspond a 1/2n, et n'est donc mathématiquement jamais nulle: elle tend à se rappocher du zéro sans jamais l'atteindre.

Cependant, le nombre d'atomes étant un entier naturel, il arrive un moment où l'espèce radioactive disparait. C'est le cas du Prométhium, qui a totalement disparu à cause de la décroissance radioactive (Sa demie vie et son abondance étaient tous deux faibles). En effet le seul moyen de l'étudier en détail aujourd'hui serait de le produire artificiellement. 

 


 


 


   2.8 - La réaction de fission nucléaire

  

 La fission nucléaire est une réaction capable de produire de l'énergie à partir de neutrons percutant des atomes instables (ex: Uranium 235). Les neutrons percutant l'atome produisent d'autres atomes instables (produits de fission), et libèrent à leur tour 1 à 3 neutrons. 

Cette réaction peut être modérée par un absorbant neutronique (graphite, ou bore), qui va permettre de limiter le nombre de neutrons émis.

Cette réaction produit une grande quantité d'énergie.

La fission ne se produit pas sur des atomes stables, et produit un rayonnement gamma, ainsi que d'autre particules α et β. Dans les centrales nucléaires, il y a également présence d'Uranium 238, qui est seulement fissible par des neutrons rapides (et qui ne réagit donc pas dans cette situation) : la capture d'un neutron le change en Uranium 239 radioactif (β-) qui en se désintégrant produit du Neptunium 239 également radioactif (β-). La désintégration de ce dernier produit du Plutonium 239 fissile: Le rôle de l'Uranium 238 est donc de produire de l'énergie mais dans la durée, et non instantanément comme avec l'Uranium 235.

 

 

 


   3 - Fonctionnement d'une centrale nucléaire:

 

schema fonctionnement nucléaire

  Une centrale nucléaire fonctionne grâce à la réaction de fission nucléaire.

L'énergie libérée par la réaction de fission est transmise au circuit primaire, qui refroidit le coeur.

Le circuit primaire transmet cette énergie au circuit secondaire, au travers d'échangeurs appelés générateurs de vapeur. Le circuit secondaire transforme cette énergie en énergie électrique, grâce à la turbine et à l'alternateur.

Le circuit secondaire est refroidi par un circuit tertiaire ouvert (source froide), prélevé soit dans un fleuve, soit dans la mer. CEtte eau retourne dans le milieu dans lequel elle a été prélevée après été refroidie dans des cheminées aéro-réfrgérantes.

 La radioactivité est confinée dans le circuit primaire, car il n'y a pas de contact entre l'eau irradiée et les autres circuits.

   Le circuit primaire est situé dans le bâtiment réacteur, protégé par un dôme en béton pour isoler les rayonnements vis à vis du milieu extérieur (surtout le rayonnement γ). Dans ce circuit, l'eau est en contact avec les gaines contenant le combustible (Uranium 235 et Uranium 238). Cette eau sous pression est directement chauffée à plusieurs centaines de degrés, et passe a l'état gazeux

   

 

 


 sources :

-(http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutrino)

-(http://fr.wikipedia.org/wiki/Quark)

-(http://fr.wikipedia.org/wiki/Fission_nucl%C3%A9aire)

-(http://fr.wikipedia.org/wiki/Uranium)

-(http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9_b%C3%A9ta)

-(http://molaire1.perso.sfr.fr/faible.html)

-(http://archipeldessciences.files.wordpress.com/2011/03/fusion_nucleaire.jpg)

-(http://www.ilephysique.net/img/fiches/physique-terminale/physique_terminale-reactions-nucleaires_07.gif)

-(http://www.kernenergie.ch/upload/cms/user/decroissance_radioactive_f_big.jpg)

-(http://www.marcillacautrement.com/images/f/fis/fission.jpg)

-(http://www.discip.ac-caen.fr/phch/lycee/premiere/1l/3Radioactivite_Nucleaire/3Radioactivite_Nucleaire_html_6b5f6c84.png)

-(http://tpe-avenir-energies.franceserv.com/schema_centrale_nucleaire.jpg)

-(http://www.drome.pref.gouv.fr/workspaces/members/sidpc/archives/ddrm/images/ddrm_cruas01.jpg/downloadFile/preview/ddrm_cruas01.jpg)

-Informations utiles, édition 1998 par le commissariat à l'énergie atomique

 

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