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Quel est le principe de fonctionnement des centrales nucléaires ?

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Présentation au sujet: "Quel est le principe de fonctionnement des centrales nucléaires ?"— Transcription de la présentation:

1 Quel est le principe de fonctionnement des centrales nucléaires ?

2 Intro : les centrales électriques

3 Les centrales électriques Induction électromagnétique

4 Les centrales électriques

5

6

7 Induction électromagnétique Rotor / Stator Pour faire bouillir de leau : depuis le rotor jusquà la cuisine

8 I) Fission ou fusion ?

9 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Site futura- sciences.com

10 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Site iter.org

11 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Site nobelprize.org

12 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) a)Comment écrire et équilibrer une équation de fusion nucléaire? Deutérium ( 2 1 H) et Tritium ( 3 1 H) donnant Hélium 4 est un processus courant. Comment écrire léquation ?

13 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) a)Comment écrire et équilibrer une équation de fusion nucléaire? 2 1 H+ 3 1 H 4 2 He+ A Z X Comment trouver la nature de la particule X ?

14 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) -Conservation de la charge électrique : 1+1=2+Z donc Z = 0.

15 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) -Conservation de la charge électrique : 1+1=2+Z donc Z = 0. -Conservation du nombre de nucléons : 2+3=4+A donc A =1 (Lois de Soddy)

16 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) -Conservation de la charge électrique : 1+1=2+Z donc Z = 0. -Conservation du nombre de nucléons : 2+3=4+A donc A =1 (ce sont les Lois de Soddy) -Doù léquation : 2 1 H+ 3 1 H 4 2 He+ 1 0 n

17 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 T + 3 T 4 He + x 1 0 n, trouver x.

18 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 T + 3 T 4 He + x 1 0 n, trouver x. Conservation du nombre de nucléons : 3+3=4+x donne x = 2

19 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 T + 3 T 4 He + x 1 0 n, trouver x. Conservation du nombre de nucléons : 3+3=4+x donne x = 2 Vérifions la conservation de la charge électrique : 1+1=2+0, cest bon.

20 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 T + 3 T 4 He + x 1 0 n, trouver x. Conservation du nombre de nucléons : 3+3=4+x donne x = 2 Vérifions la conservation de la charge électrique : 1+1=2+0, cest bon. 3 T + 3 T 4 He n

21 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 He + 6 Li 2 4 He + A Z X, trouver A, Z et X.

22 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 He + 6 Li 2 4 He + A Z X, trouver A, Z et X. Conservation de A : 3+6=2.4+A donne A = 1

23 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 He + 6 Li 2 4 He + A Z X, trouver A, Z et X. Conservation de A : 3+6=2.4+A donne A = 1 Conservation de Z : 2+3=2.2+Z, donne Z = 1.

24 I) Fission ou fusion ? 1)ITER : les centrales du futur (fusion) Exercice : 3 He + 6 Li 2 4 He + A Z X, trouver A, Z et X. Conservation de A : 3+6=2.4+A donne A = 1 Conservation de Z : 2+3=2.2+Z, donne Z = 1. 3 He + 6 Li 2 4 He p

25 I) Fission ou fusion ? b)Comment calculer lénergie libérée lors dune fusion ? E libérée = (masse avant-masse après).c 2. Masses exprimées en kg, c (célérité de la lumière dans le vide) en m.s -1 et E en J.

26 I) Fission ou fusion ? b)Comment calculer lénergie libérée lors dune fusion ? E libérée = (masse avant-masse après).c 2. Exemple : la fusion deutérium-tritium E libérée = (2, ,01605 – – 1,00866). 1, ( ) 2 =2, J = 17 MeV.

27 I) Fission ou fusion ? b)Comment calculer lénergie libérée lors dune fusion ? Exercice Calculer lénergie libérée dans la réaction de fusion suivante : He 4 2 He p sachant que la masse de lhélium 3 vaut 3,01603 u et que celle du proton vaut 1,00728 u.

28 I) Fission ou fusion ? E libérée = [2.m( 3 2 He)-m( 4 2 He)-2.m(p)].c²

29 I) Fission ou fusion ? E libérée = [2.m( 3 2 He)-m( 4 2 He)-2.m(p)].c² E libérée = [2. 3,01603 – 4, ,00728 ]. 1, ( )²

30 I) Fission ou fusion ? E libérée = [2.m( 3 2 He)-m( 4 2 He)-2.m(p)].c² E libérée = [2. 3,01603 – 4, ,00728 ]. 1, ( )² E libérée = 2, J

31 I) Fission ou fusion ? E libérée = [2.m( 3 2 He)-m( 4 2 He)-2.m(p)].c² E libérée = [2. 3,01603 – 4, ,00728 ]. 1, ( )² E libérée = 2, J E libérée = 14 MeV

32 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien Un isotope fissile possède la propriété suivante :

33 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien

34 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien

35 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien Lisotope 238 de luranium, le plus courant (99,27 %), nest pas fissile. Lisotope 235, lui, est fissile (moins de 1 % de luranium terrestre). Nécessité denrichir les minerais par centrifugation (A différents donc masses différentes).

36 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien U+ 1 0 n A Z X Se n Trouver A, Z et X

37 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien U+ 1 0 n A Z X Se n Conservation du nombre de nucléons A : 235+1=A+85+5, A=146

38 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien U+ 1 0 n A Z X Se n Conservation A : 235+1=A+85+5, A=146 Conservation Z : 92+0=Z+34+0, Z=58

39 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien U+ 1 0 n A Z X Se n Conservation A : 235+1=A+85+5, A=146 Conservation Z : 92+0=Z+34+0, Z= U+ 1 0 n Ce Se n

40 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien Calculer lénergie libérée par : U+ 1 0 n Ce Se n m( 235 U)=234,9934 u, m(X)= 145,8782 u, m( 85 Se)= 84,9033 u

41 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien Calculer lénergie libérée par : U+ 1 0 n Ce Se n E lib =[m( U)+m(n)-m( Ce)-m( Se)-5.m(n)].c² m( 235 U)=234,9934 u, m(X)= 145,8782 u, m( 85 Se)= 84,9033 u

42 I) Fission ou fusion ? 2) Fission : le quotidien Calculer lénergie libérée par : U+ 1 0 n Ce Se n E lib =[m( U)+m(n)-m( Ce)-m( Se)-5.m(n)].c² m( 235 U)=234,9934 u, m(X)= 145,8782 u, m( 85 Se)= 84,9033 u E lib 180MeV

43 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ?

44 Fusion et fission sont des processus qui sont opposés. Pourquoi en retire-t-on, dans chaque cas, de lénergie ?

45 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ?

46

47 Fusion Fission

48 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ? Comment calculer lénergie de liaison ? Lénergie de liaison est lénergie à fournir pour séparer un noyau en ses constituants. Cest aussi lénergie que lon récupère lors de la formation dun noyau : pour un noyau A Z X, léquation de formation est Z.p + (A-Z).n A Z X

49 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ? Comment calculer lénergie de liaison ? Donc lénergie libérée par cette réaction sécrit : E l = (Z.m p + (A-Z).m n – m X ).c².

50 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ? Comment calculer lénergie de liaison ? Exemple de détermination dune énergie de liaison : E l ( I) = [53 m p + 70 m n – m( I)]c 2 = 1039 MeV, soit pour lénergie de liaison par nucléon : 1039/123 = 8,45 MeV/nucléon.

51 II) Pourquoi obtient-on toujours de lénergie ? Comment calculer lénergie de liaison ? Exercice : montrer que lénergie de liaison par nucléon de luranium 235 vaut environ 7,6 MeV/nucléon.

52 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs?

53 1) Les rayonnements

54 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements - Radioactivité alpha : émission dune particule alpha = α = noyau dhélium 4 2 He Site lpsc.in2p3.fr

55 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements Radioactivité alpha : émission dune particule alpha = α = noyau dhélium 4 2 He Ra A Z X+ 4 2 He, trouver le noyau formé.

56 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements Radioactivité alpha : émission dune particule alpha = α = noyau dhélium 4 2 He -Réponse :

57 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements - Radioactivité bêta moins : émission dun électron, historiquement appelé β -.

58 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta moins : émission dun électron, historiquement appelé β Co A Z X e Trouver A, Z et X

59 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta moins : émission dun électron, historiquement appelé β Co A Z X e Conservation du nombre de nucléons : 60=A+0, A=60 Conservation de la charge électrique : 27 = Z-1, Z = 28.

60 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta moins : émission dun électron, historiquement appelé β Co Ni e

61 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta plus : émission dun positon, historiquement appelé β C A Z X e

62 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta plus : émission dun positon, historiquement appelé β C A Z X e Conservation de A : 11 = A+0, A = 11 Conservation de Z : 6 = Z+1, Z = 5

63 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité bêta plus : émission dun positon, historiquement appelé β C 11 5 B e

64 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements -Radioactivité gamma : émission dun photon, particule de lumière. Un noyau excité revient à son état fondamental 11 5 B* 11 5 B + γ

65 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements De manière générale :

66 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? a) La nature des rayonnements De manière générale : A Z X A-4 Z-2 Y+ 4 2 He A Z X A Z+1 Y e A Z X A Z-1 Y+ 0 1 e A Z X* A Z X+ γ

67 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 1)Les rayonnements b)Peut-on prévoir le nombre de désintégrations dun échantillon radioactif ?

68 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 1)Les rayonnements b)Peut-on prévoir le nombre de désintégrations dun échantillon radioactif ? Processus aléatoire. Cependant, le nombre de désintégrations se répartit autour dune valeur moyenne. Activité = nombre moyen de désintégration par seconde, A. Unité : le Becquerel, Bq.

69 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 1)Les rayonnements b)Peut-on prévoir le nombre de désintégrations dun échantillon radioactif ?

70 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 1)Les rayonnements b)Peut-on prévoir le nombre de désintégrations dun échantillon radioactif ?

71 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 2) Pourquoi ces différents rayonnements ? a) La vallée de la stabilité

72 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs?

73 2) Pourquoi ces différents rayonnements ? b) Famille radioactive

74 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie)

75 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie) a) Expérience préliminaire : simulation. On laisse un noyau radioactif unique se désintégrer, on note la date de la désintégration. Puis on recommence sur un autre noyau. Et ainsi de suite, le plus longtemps possible (ici une bonne centaine de noyaux). Le logiciel donne alors la médiane.

76 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie) Remarque : on appelle « médiane » la date qui partage lensemble des noyaux en deux parts égales. La moitié des noyaux se sont désintégrés avant et lautre moitié après. Un noyau a 50 % de chances de se désintégrer dune part de la médiane.

77 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie) b) Simulation pour un grand nombre de noyaux. Le logiciel donne les courbes suivantes

78 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs?

79 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie) Interprétations : -plus le temps passe, plus lactivité diminue : comme le nombre total de noyaux radioactifs diminue, la probabilité des désintégrations diminue aussi.

80 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 3) Le problème de la durée de vie des déchets radioactifs : le stockage. (notion de demi-vie) Interprétations : -lactivité est proportionnelle au nombre de noyaux : A = λ.N, λ étant la constante radioactive, homogène à linverse dun temps. Signification : pour un nombre de noyaux donné, plus la constante radioactive est grande et plus lactivité est grande.

81 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 4) Étude mathématique a) Étude analytique A= λ.N et A=-dN/dt donnent les équations différentielles dN/dt+ λ.N=0 et dA/dt+ λ.A=0 -Vérifier que les fonctions N(t)=N 0.e - λ t et A(t)=A 0.e - λ t sont solution. -En posant : τ =1/ λ, montrer la relation λ.t 1/2 =ln2.

82 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 4) Étude mathématique b) Étude numérique Méthode dEuler : -une relation entre la fonction et ses dérivées (équa diff) -une condition initiale (valeur initiale de la fonction) -un « pas » de résolution : durée entre deux valeurs calculées

83 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 4) Étude mathématique b) Étude numérique Méthode dEuler : Prenons lexemple de lactivité dun échantillon, dactivité initiale A 0 = Bq, de constante radioactive λ = 100 s -1. On choisit un pas de 0,5 ms (soit environ 1/10 ème du temps caractéristique dévolution, qui est t 1/2 = (ln2)/ λ 6, s).

84 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 4) Étude mathématique b) Étude numérique Méthode dEuler : Alors : A 0 = Bq et (dA/dt) 0 = - λ.A 0 = Bq.s -1. Doù : A 1 =A 0 +(dA/dt) 0. Δ t= 4, Bq et (dA/dt) 1 = - λ.A 1 =-4, Bq.s -1. Doù A 2 = …

85 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 Supposons que lon possède un échantillon contenant des noyaux radioactifs, dont le nombre est connu. Par exemple, lisotope 14 du carbone dans du bois fossilisé.

86 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 Supposons que le taux de carbone 14 dans latmosphère nait pas évolué pendant les siècles : on connaît le taux actuel, on sait donc quelle était la proportion de carbone 14 assimilé par larbre au moment où il est mort (puisque après, il nabsorbe plus de CO 2 ).

87 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 En comparant le rapport initial (actuel, donc) au rapport mesuré, montrer comment on peut remonter à lâge de larbre.

88 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 Exemple : lors de la datation dune tombe égyptienne, on mesure le rapport du nombre de noyaux de carbone 14 au nombre de noyaux de carbone 12 dun échantillon de bois prélevé dans la tombe. Et on le compare au taux actuel. On trouve que le taux de léchantillon est 0,56 fois plus faible que lactuel. Sachant que la demi-vie de lisotope carbone 14 vaut 5570 ans, déterminer lâge de la tombe.

89 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 Rem : 1)le taux du carbone 14 par rapport au carbone 12 a évolué. Il faut corriger cette méthode en utilisant les renseignements que lon peut tirer par exemple des cernes des troncs des arbres ou de la composition des coraux.

90 III) Quels sont les problèmes posés par les déchets radioactifs? 5) Application à la datation au carbone 14 Rem : 2)On raisonne avec lactivité, la plupart du temps. 3)Cette méthode ne vaut que pour 10 demi-vies, donc environ ans.


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