L’énergie nucléaire, l’énergie de demain? Problématique : L’énergie nucléaire est-elle compatible avec le développement durable ? Cette question soulève de bien nombreuses autres questions… Qu’est-ce que la radioactivité, principale entrave au développement du nucléaire ? Qu’est-ce que l’énergie nucléaire ? Comment les centrales nucléaires fonctionnent-elles ? Quelle sera la place de l’énergie nucléaire au sein des énergies de demain ? Travaux Personnels Encadrés Stephan Jean-Yves et Munck Sébastien, classe de 1ère S2 Professeur de Physique/Chimie : Monsieur Séguinaud Professeur de Sciences de la Vie et de la Terre : Madame Schaff http://energiededemain.free.fr

PLAN La radioactivité L’énergie nucléaire Le nucléaire au sein des énergies de demain

I. La radioactivité A) Caractéristiques de la radioactivité La radioactivité est présente partout, dans le corps humain, comme dans n’importe quel objet. Un élément est radioactif lorsque son noyau est instable, dans l’optique d’acquérir une structure stable il va alors effectuer une suite de désintégration, appelée chaîne de désintégration. Henri Becquerel découvre la radioactivité en 1896 Chaîne de désintégration de l’uranium 238 : Uranium 238 —> Thorium 234 (+alpha) —> Protactinium 234 (+beta) —> Uranium 234 (+beta) —> Thorium 230 (+alpha) —> Radium 226 (+alpha) —> Radon 222 (+alpha) —> Plutonium 218 (+alpha) —> Plomb 214 (+alpha) —> Bismuth 214 (+beta) —> Polonium 214 (+beta) —> Plomb 210 (+alpha) —> Bismuth 210 (+Beta) —> Polonium 210 (+beta) —> Plomb 206 stable (+alpha). Demi-vie de quelques éléments radioactifs

Les différents rayonnements : Parcours d'une particule alpha dans différents matériaux Substances : Air, 0°C Eau Aluminium Plomb Énergie cinétique initiale : 1 MeV 0,5 cm 8 µm 3 µm 1 µm Parcours d’un photon dans différents matériaux Substances : Air 0°C Eau ou tissu vivant Béton Plomb Energie cinétique initiale : 1MeV 150 m 15 cm 6 cm 1,5 cm Ces rayonnements sont responsables de l’irradiation d’un organisme. Il existe un dernier « rayonnement » (bien qu’il soit neutre), plus rare, le neutron, qui a un pouvoir de pénétration encore plus important. Parcours des électrons dans différents matériaux. Substances : Air, 0°C Eau Aluminium Plomb Énergie cinétique initiale : 1 MeV 2,9 m 4 mm 1,5 mm 0,35 mm

La radioprotection : Il faut des couches de matériaux de plus en plus denses pour les différents rayonnements, de plus, on incorpore du bore-10 dans du béton de façon à absorber les neutrons qui sont particulièrement pénétrants dans la matière. Les différents types de rayonnements et leur pouvoir de pénétration dans la matière

Les unités de mesure : A titre d’exemple : -le corps d’une personne de 70 kg a une activité de 9000 Bq (130 Bq / kg) -en France, un organisme absorbe en moyenne 200 milliardièmes de gray par heure -dans le monde, l’exposition moyenne annuelle de l’homme est de 2,4 mSv

Doses de radiations reçues (Sv) B) L’irradiation Doses de radiations reçues  (Sv) Effets sur le corps à partir de 0,05* · modification de la formule sanguine 1,5 à 2 · troubles digestifs légers · chutes des cheveux et poils · fatigabilité persistante (plusieurs mois) · augmentation significative des cas de cancers · stérilité permanente chez la femme · stérilité pendant 2 à 3 ans chez l'homme 2 · 10% de mortalité dans les mois qui suivent 2,5 à 4 · nausées, vomissements, vertiges dès la fin de l'irradiation · modification de la formule sanguine sévère · risques mortels élevés en cas d'infection 6 · troubles sanguins et digestifs graves · diarrhées et vomissement · risques de perforations intestinales 7 · 90% de mortalité dans les mois qui suivent 10 · mort dans les mois qui suivent 100 · mort dans les heures qui suivent  1000 · mort dans les minutes qui suivent * 0,05 Sv correspond à environ 20 fois la dose moyenne annuelle à laquelle l’homme est exposé. Une ionisation par un rayonnement alpha Les effets aigus (=/= effets aléatoires) résultants d’une forte irradiation

Réparation des cellules irradiées : La réparation d’un brin d’ADN par excision Traitement ou mort d’une cellule lors de la dégradation de l’ADN

C) Les déchets radioactifs Le second type de stockage entrepris est le stockage en profondeur, mais celui-ci est utilisé pour des déchets radioactifs à vie quasi-éternelle et est définitif et irréversible Le stockage en surface des éléments radioactifs à vie courte et moyenne

Retraitement des déchets : Retraitement, stockage en surface temporaire ou stockage profond et définitif des déchets radioactifs Le retraitement des déchets radioactifs en France Le retraitement du MOX (combustible déjà issu d’un retraitement d’oxydes d’uranium et de plutonium) et des produits de fission est trop coûteux pour être entrepris.

II. L’Energie nucléaire A) L’origine de l’énergie nucléaire Interaction forte : Force assurant la cohésion du noyau (en permettant aux quarks de former des neutrons et des protons) Energie de liaison : on observe une différence de masse entre un noyau et ses nucléons séparés après dissociation du noyau. Cette différence de masse révèle l’existence d’une énergie de liaison : c’est cette énergie qui est libérée lors des réactions nucléaires.

17% de la production d’électricité mondiale, 88% en France B) La fission nucléaire 17% de la production d’électricité mondiale, 88% en France

Un neutron est envoyé sur un noyau lourd (uranium 235) qui est de fait rendu instable et ce scinde en deux noyaux plus légers. Cette fission s’accompagne aussi d’une émission de deux à trois neutrons rapides, qui vont à leur tour percuter d’autres noyaux : c’est la réaction en chaîne. Il est nécessaire (à l’inverse des bombes nucléaires) de contrôler cette réaction en chaîne, en utilisant des absorbeurs de neutrons, afin que le réacteur soit critique, càd que le nombre de fission à chaque instant doit être fixe.

La fission s’accompagne aussi d’un dégagement d’énergie, sous la forme d’une certaine vitesse (énergie cinétique) conférée aux produits de fission et aux neutrons. Cette énergie se transforme en chaleur, que l’on récupère à l’aide de fluides caloporteurs, qui feront tourner des turbines une fois à l’état gazeux.

C) La fusion nucléaire

La fusion nucléaire nécessite une température très importante pour que la matière soit à l’état de plasma : un gaz ionisé constitué d’atomes et d’électrons libres.

Deutérium + Tritium  Hélium 4 + neutron Processus « inverse » de la fission nucléaire : deux noyaux légers s’interpénètrent pour former un noyau plus lourd. La réaction qui sera utilisé dans l’ « International Thermonuclear Experimental Reactor » est la suivante : Deutérium + Tritium  Hélium 4 + neutron La fusion nucléaire offre l’avantage d’être très peu radioactive, de ne nécessiter que très peu de combustibles et d’être dépourvue de réaction en chaîne : aucun risque d’emballement de la réaction.

Tokamak = chambre toroïdale à confinement magnétique Pour réaliser la fusion, le plasma doit être comprimé. Il existe ainsi différents types de confinements : Gravitationnel : au sein des étoiles (irréalisable sur Terre) Magnétique (Tokamaks comme ITER) : dans la mesure où le plasma est ionisé, on peut le confiner à l’aide de puissants champs magnétiques. Inertiel (Z-machine, Laser Mégajoule) : on a recours à de puissants lasers / courants électriques pour comprimer une capsule contenant les réactifs. Photo du Joint European Torus (JET). Le Tokamak en repos (à gauche) et en activité (à droite) Tokamak = chambre toroïdale à confinement magnétique 

R = grand rayon a = petit rayon Pour obtenir de bons résultats, on doit augmenter la taille des tokamaks : ce schéma donne une idée du gigantisme d’ITER. Paramètres Tore Supra JET ITER Grand rayon du plasma (en m) 2.25 3.0 6.21 Petit rayon du plasma (en m) 0.7 1.25 2.0 Volume du plasma (en m3) 25 155 837 R = grand rayon a = petit rayon

III. Le nucléaire au sein des énergies de demain Les énergies de demain seront multiples : le nucléaire aura sa place, du fait des propres limites d’un « tout-renouvelable » et de la nécessité de réduire l’utilisation des énergies fossiles. La fusion nucléaire pourrait, à long terme (80 ans minimum), si les essais faits sur ITER s’avéraient concluants, prendre la relève en fournissant une énergie propre et illimitée.   Domaine Fission nucléaire Fusion nucléaire Economique + Coûts plus faibles. + Application possible immédiate. + A long terme, des rendements bien plus importants. + Des combustibles inépuisables à moindre coûts. - Beaucoup de temps et d’argent nécessaires. Environnemental - Nombreux progrès, mais les produits de fissions sont toujours radioactifs, et le risque de la réaction en chaîne existe : une stabilité politique est nécessaire. + Moins de déchets radioactifs, à période plus courte. + La réaction ne peut pas s’emballer. Technologique + Une technologie bien connue mais où les progrès sont toujours possibles. - Des incertitudes subsistent quant à la faisabilité de l’application industrielle de la fusion nucléaire. - Enorme défi technologique.

La radioactivité dans la vie courante (Zoom) L’industrie et le nucléaire ne représentent que 0,5% de l’exposition à des radiations La radioactivité dans la vie courante