La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La production délectricité à partir de lénergie nucléaire Constitution de latome et du noyau. Constitution de latome et du noyau. Stabilité du noyau. Stabilité

Présentations similaires


Présentation au sujet: "La production délectricité à partir de lénergie nucléaire Constitution de latome et du noyau. Constitution de latome et du noyau. Stabilité du noyau. Stabilité"— Transcription de la présentation:

1 La production délectricité à partir de lénergie nucléaire Constitution de latome et du noyau. Constitution de latome et du noyau. Stabilité du noyau. Stabilité du noyau. Radioactivité. Radioactivité. La fission nucléaire. La fission nucléaire. Luranium. Luranium. La centrale nucléaire. La centrale nucléaire. Les déchets radioactifs. Les déchets radioactifs. Le nucléaire en Belgique et dans le monde. Le nucléaire en Belgique et dans le monde. Bombe atomique. Bombe atomique.

2 Composition des atomes Un atome est constitué: Dun noyau contenant: –Des protons porteurs dune charge positive –Des neutrons électriquement neutres Délectrons qui gravitent autour du noyau Les électrons portent une charge négative Les charges électriques des électrons et des protons sont de même valeur. Un atome dans son état normal comporte le même nombre de protons et délectrons. Il est donc électriquement neutre. Le nombre de protons (nombre atomique: Z) est caractéristique de lélément et détermine sa place dans le tableau de Mendéléev. Exemples: Hydrogène:1 proton Oxygène:8 protons Fer:26 protons Uranium:92 protons

3 Masse des atomes Masse du neutron: 1,675 × kg Masse du proton:1,673 × kg Masse de lélectron:9,1× kg Les neutrons et protons sont donc environ 2000 fois plus lourds que les électrons. La masse de latome est presque totalement concentrée dans le noyau.

4 Dimension des atomes Diamètre de latome: environ m Diamètre du plus gros noyau: environ m Le plus gros noyau est environ fois plus petit que latome. Comme une mouche (1 cm) au centre dun terrain de football (100 m). Un noyau est donc pratiquement rempli de vide. Une mole de matière (7 cm³ de Fe) contient atomes (ou molécules). Peut-être plus que le nombre de grains de sable sur la Terre !!

5 Le noyau Le noyau est constitué de nucléons: les protons et les neutrons Z est le nombre de protons (nombre atomique) N le nombre de neutrons A le nombre de nucléons (nombre de masse) A = N + Z Un noyau comportant un nombre donné de protons de neutrons sappelle un nucléide. proton neutron La notation standard d'un noyau indique le symbole chimique (X), Z et A: ( Z peut être omis) Noyau de carbone 14 comportant: 14 nucléons: 6 protons et 8 neutrons. Noyau duranium 238 comportant: 238 nucléons: 92 protons et 146 neutrons.

6 Les isotopes Des isotopes sont des noyaux qui ont le même nombre atomique Z. des nombres de masse A différents. Ils ont le même nombre de protons et des nombres de neutrons différents. Ils ont les mêmes propriétés chimiques. Dans la nature le noyau le plus lourd est celui de luranium (Z = 92) Quelques-uns, plus lourds, sont produits artificiellement, ex: le plutonium (Z = 94) sont les isotopes du calcium. sont les isotopes de lhydrogène.

7 Les forces à lintérieur du noyau La force électrique: Force répulsive qui sexerce entre les protons. Les neutrons ne sont pas soumis à cette force. Sa portée est très grande, elle sexerce entre tous les protons dun noyau. La force nucléaire: Force attractive qui sexerce entre tous les nucléons. Cette force attractive est beaucoup plus grande que la force électrique répulsive. Elle assure la cohésion du noyau. Sa portée est faible: au-delà de m ( moins que le diamètre dun gros noyau) elle nagit plus. nn pn p p n np n p p A lintérieur dun noyau ces deux forces sont en compétition. Entre protons voisins, la force nucléaire attractive lemporte. Entre protons éloignés, la force électrique répulsive lemporte. Les neutrons insensibles à la force électrique renforcent la cohésion du noyau.

8 Le problème du neutron Le neutron isolé est une particule instable. Au bout de quelques minutes il se désintègre en: Un proton Un électron Un neutrino (petite particule neutre de masse quasi nulle) n A lintérieur dun noyau, le neutron devient stable grâce à la présence des protons en place, car il na pas lénergie suffisante pour fabriquer un nouveau proton soumis aux forces répulsives des autres. Cependant si les neutrons sont trop nombreux dans le noyau, certains dentre eux peuvent perdre cette protection et se désintégrer à lintérieur du noyau. Le proton formé reste dans le noyau. Lélectron est éjecté à grande vitesse: cest la radioactivité béta (ß). Le neutrino est éjecté.

9 La stabilité du noyau (1) La cohésion dun noyau est assurée par la force nucléaire qui sexerce entre nucléons. Cette force sexerce entre nucléons voisins, sa portée est faible. Pour des protons assez distants à lintérieur du noyau, cest la force de répulsion électrique qui lemporte. A cause de cette force, des noyaux trop gros ne peuvent subsister. La présence de neutrons à lintérieur dun noyau contribue à le stabiliser. Les neutrons exercent une force dattraction sur des nucléons voisins Ils ne sont pas soumis à la répulsion électrique des protons « éloignés ». Plus le noyau est gros, plus la proportion de neutrons doit être grande. Au-delà de Z=84 (Bismuth) tous les noyaux sont instables. carbone-12: 6 protons, 6 neutrons (50 % de neutrons) fer-56:26 protons, 30 neutrons (54 % de neutrons) plomb-207:82 protons, 125 neutrons (60 % de neutrons)

10 Les neutrons, instables quand ils sont isolés, sont stables dans le noyau, grâce au voisinage des protons, à condition que leur proportion par rapport aux protons ne soit pas trop grande. La stabilité du noyau (2) Les noyaux ayant trop de neutrons sont instables.

11 La radioactivité Libération d'énergie sous la forme de particules ou de rayons gamma provoquée par la désintégration du noyau instable d'un atome. Les substances radioactives se transforment ainsi en d'autres éléments chimiques, qui peuvent être, aussi, radioactifs. Les trois principaux types de radioactivité sont: La radioactivité alpha (α) La radioactivité bêta moins (β - ) La radioactivité gamma (γ)

12 La radioactivité alpha (α) Elle est produite par les noyaux qui sont instables parce quils sont trop gros (Z > 84) Vitesse de la particule α : entre et km/s Le rayonnement α est constitué dune particule formée de 2 protons et de 2 neutrons ( ) Elle est éjectée du noyau. proton neutron Une particule α

13 La radioactivité bêta (β) Elle est produite par les noyaux qui sont instables parce quils ont un ou plusieurs neutrons en excès. Un neutron en excès se transforme en: Un proton qui reste dans le noyau. Un électron qui est éjecté du noyau. Le rayonnement β est constitué d un électron. Vitesse de la particule β : plus de km/s.

14 La radioactivité gamma (γ) Les rayons γ sont des rayonnements électromagnétiques. (Comme les micro-ondes, la lumière, les rayons X….) Leur longueur donde est la plus courte de tous les rayonnements électromagnétiques ( < m ). Ils sont souvent produits en même temps que les rayonnements α et β quand le noyau formé a un excès dénergie.

15 Pouvoir pénétrant Le rayonnement γ est le plus pénétrant et donc le plus dangereux. Rayonnement β : pouvoir pénétrant moyen. Rayonnement α : pouvoir pénétrant faible. Parcours dans lair: α : quelques centimètres. β : quelques mètres. γ : plusieurs centaines de mètres.

16 Effets biologiques des rayonnements Vomissements Perte de cheveux Brûlures Cancers Mutations génétiques ………..

17

18 Période radioactive La période dun isotope radioactif est le temps nécessaire pour que la moitié de ses noyaux se désintègrent naturellement. Après 2 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 4. Après 3 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 8. Après 4 périodes, le nombre de noyaux est divisé par 16. …….. Iode – 131:7,6 jours Cobalt – 60:5,26 ans Strontium – 90:28 ans Carbone – 14:5730 ans Plutonium - 239: ans Uranium :4,5 milliards dannées

19 La fission nucléaire Fission induite: le noyau fissile capture un neutron se casse en deux noyaux plus petits émet deux ou trois neutrons secondaires Exemple de fission de lU 235 Les noyaux fissiles sont principalement: lU 235 le Pu 239 Autre forme dinstabilité dun noyau: un noyau lourd se sépare en 2 noyaux plus petits avec émission de neutrons. Elle peut-être spontanée ou induite par un neutron.

20 Lénergie de fission Lénergie de la fission est contenue, principalement, dans: Lénergie cinétique des 2 fragments Lénergie cinétique des neutrons Lénergie du rayonnement γ L énergie cinétique des fragments et des neutrons se transforme en chaleur, par les collisions avec les atomes de la matière traversée.

21 Réaction en chaîne Chaque neutron émis peut produire la fission dun autre noyau qui émet des neutrons pouvant produire dautres fissions et ainsi de suite…

22 Conditions pour obtenir une réaction en chaîne Une concentration suffisante de noyaux fissiles. Sinon les neutrons sont absorbés par les autres noyaux de léchantillon. Une masse suffisante de matériau (masse critique) Sinon trop de neutrons sortent de léchantillon. Un ralentissement (éventuel) des neutrons secondaires produits. Car les neutrons trop rapides peuvent difficilement être captés par les noyaux fissiles.

23 Luranium L'uranium a été découvert en 1789 dans la pechblende, un minerai d oxyde duranium (UO 2 ). Ce nom a été choisi en référence à la planète Uranus découverte en Luranium naturel est composé presque entièrement de 2 isotopes: 99,3 % dU-238 (non fissile) 0,7 % dU-235 (fissile) Luranium est radioactif α. A la suite de désintégrations successives, il se transforme en plomb. En passant notamment par le radium, le radon, le polonium… Pour pouvoir être utilisé dans les centrales, luranium naturel doit, dans la plupart des cas, être enrichi en U-235 (3,5 %, minimum)

24 La centrale nucléaire PWR de Tihange (Pressurised Water Reactor) La centrale de Tihange comporte 3 réacteurs dune puissance denviron 1000 MW chacun.

25 La centrale nucléaire PWR (Pressurised Water Reactor)

26 Le réacteur nucléaire Le réacteur de Tihange 1 est constitué d'une cuve de 270 tonnes dont les parois, en acier inoxydable, sont épaisses de 25 cm. Elle est enfermée dans une double enceinte de confinement en béton.

27 Le réacteur nucléaire Le combustible Il est assemblé en long tubes (ou crayons) de 4 m, en zirconium, maintenus ensemble par des grilles de support. Ces crayons contiennent des pastilles de combustible empilées. Le combustible est de l'oxyde d'uranium ou un mélange doxyde d'uranium et de plutonium (le MOX). Un crayon contient environ 300 pastilles dune masse totale denviron 2 kg. Un réacteur de 1 MW peut comporter, par exemple: 177 assemblages de 264 crayons chacun. Soit 72 tonnes duranium. Tous les 3 ans, un tiers des assemblages est renouvelé. La fission dun gramme duranium libère autant dénergie que la combustion de 2,5 tonnes de charbon.

28 Le réacteur nucléaire Le fluide caloporteur Il circule entre les crayons pour transporter la chaleur produite par les fissions nucléaires. Le modérateur Disposé entre les crayons de combustible, il freine les neutrons pour leur permettre dêtre captés la les noyaux fissiles. Dans les centrales PWR, leau ordinaire est utilisée à la fois comme modérateur et comme liquide caloporteur. Cette eau est sous une pression de 150 bars qui lui permet de rester liquide à des températures de lordre de 300 °C. (Réacteur à eau pressurisée)

29 Le réacteur nucléaire Les barres de contrôle Elles sont introduites dans le réacteur ou en sont retirées pour le piloter. Elles sont constituées dun matériau absorbant les neutrons (Cadmium, bore, gadolinium) Salle de contrôle

30 La centrale nucléaire PWR Animation Le réacteur comporte 3 circuits deau indépendants. Le circuit primaire Il transporte la chaleur du réacteur vers un échangeur. Le circuit secondaire Leau reçoit la chaleur du circuit primaire dans léchangeur où elle est vaporisée. Elle actionne la turbine qui fait tourner lalternateur. Le circuit de refroidissement Il refroidit et liquéfie leau du circuit secondaire.

31 La turbine à vapeur La vapeur à haute pression est projeté sur des roues à ailettes quelle fait tourner. La turbine actionne lalternateur qui produit le courant. Turbine et alternateur Rotor de la turbine

32 Refroidissement L'eau du circuit de refroidissement est refroidie. Par un fleuve ou la mer. Par lair atmosphérique dans une tour réfrigérante d'où une petite partie (1,5 %) s'échappe en vapeur qui se condense en forme de panache blanc. Comme toutes les machines thermiques qui transforment de la chaleur en énergie mécanique une centrale électrique doit rejeter une partie de la chaleur dans une source froide. Le rendement dune centrale nucléaire est denviron 35%. 65 % de lénergie produite par le réacteur est rejetée sous forme de chaleur dans lenvironnement.

33 Quelques types de centrales nucléaires Centrale à réacteur à eau pressurisée (PWR). 60% dans le monde et 80 % en Europe. Centrale à réacteur à eau bouillante, modéré au graphite. Conception soviétique (Tchernobyl). Centrale à réacteur utilisant de luranium naturel modéré par de l'eau lourde Filière canadienne Centrale à réacteur à eau bouillante. Centrale à neutrons rapides et à sodium comme fluide caloporteur. Centrale Superphénix de Creys-Malville (France). Abandonnée. ……..

34 Lenrichissement de luranium Deux méthodes principales utilisant lhexafluorure duranium gazeux. (UF 6 ) La diffusion gazeuse Lultracentrifugation Augmentation de la proportion d U-235 fissile dans luranium naturel. (Entre 3,5% et 5% pour la production délectricité)

35 Diffusion gazeuse On filtre lUF 6 au travers dune paroi poreuse. Les molécules contenant de lU - 235, plus légères et donc plus rapides, sont plus nombreuses à traverser la paroi. De lautre côté de la paroi la proportion dU-235 est légèrement augmentée. Une usine peut comporter 1400 diffuseurs en cascade. Usine de Pierrelatte (Drôme, France) Diffuseurs

36 Ultracentrifugation Des centrifugeuses contenant de lUF 6 tournent à très grande vitesse. Les molécules contenant de lU-238, plus lourd, saccumulent davantage en en périphérie. Au centre, le gaz est enrichi en U-235. Les centrifugeuses sont disposée en cascade. Ce procédé est plus moderne et consomme beaucoup moins dénergie que la diffusion. Usine de Portsmouth (Ohio, USA) Centrifugeuses

37 Les produits de la fission de lU235 Plus de cent nucléides différents peuvent être libérés lors de la fission de l'uranium. Les deux fragments sont, le plus souvent: Un noyau de nombre de masse autour de A=95 (brome, krypton, zirconium, strontium …) Un noyau de nombre de masse autour de A=139 (iode, xénon, baryum, césium…) Les produits de fission peuvent être à l'état gazeux, liquide ou solide. La plupart sont radioactifs et constituent les déchets radiotoxiques.

38 Le plutonium Le plutonium est produit dans les centrales nucléaires par la capture dun neutron par lU Le plutonium est un métal argenté très radioactif et très toxique (un milligramme de plutonium peut suffire à produire un cancer). Après retraitement des déchets, le plutonium, mélangé à de luranium peut-être réutilisé dans les centrales (MOX) 5 kg de plutonium permettent de fabriquer une bombe atomique.

39 Les déchets radioactifs A: Déchets de faible radioactivité, à vie courte 90% de la totalité des déchets radioactifs. Filtres, Gants et petit matériel Ils sont compactés dans des fûts de métal ou de béton. Souvent entreposés sur les sites de production. B: Déchets de moyenne radioactivité, à vie longue 9% de la totalité des déchets radioactifs. Actifs pendant plusieurs milliers dannées. Proviennent principalement des usines de retraitement (boues, gaines de combustibles). Compactés dans des fûts de métal ou de béton. Une des options envisagées est de les enterrer en profondeur. France: 2000 m³ par an C: Déchets de forte radioactivité, à vie longue 0,5% de la totalité des déchets radioactifs. Reste de la combustion de luranium, produits de fission, récupérés après retraitement. Coulés dans du verre (vitrification). France: 100 m³ par an Luranium et le plutonium, récupérés dans les déchets peuvent être réutilisés dans les centrales.

40 Le nucléaire dans le monde Le nucléaire, dans le monde, assure 17% de la production délectricité.

41 Le nucléaire en Belgique 2 centrales PWR Tihange (Huy) Début de lexploitation: unités totalisant 3130 MW Doel (Anvers) Début de lexploitation: unités totalisant 2960 MW Le nucléaire, en Belgique, assure 57% de la production délectricité.

42 Bombe à fission Bombe à uranium. « Little Boy » Hiroshima 6 août 1945 Bombe à Plutonium. « Fat Man » Nagasaki 9 août kg duranium enrichi à 90 %. Energie équivalente à tonnes de TNT. 7 kg de plutonium quasi pur. Energie équivalente à tonnes de TNT.


Télécharger ppt "La production délectricité à partir de lénergie nucléaire Constitution de latome et du noyau. Constitution de latome et du noyau. Stabilité du noyau. Stabilité"

Présentations similaires


Annonces Google