L’énergie nucléaire Défaut de masse Equivalence masse –énergie Unités de masse et d’énergie Energie de liaison d’un noyau Energie de liaison par nucléon et stabilité des noyaux. La courbe d’Aston. Fission des noyaux lourds. Fusion des noyaux légers Bilan de masse et d’énergie d’une réaction nucléaire

La célèbre relation d’Einstein. L’équivalence masse-énergie E = m.c 2 La célèbre relation d’Einstein. L’équivalence masse-énergie m masse en kg c vitesse de la lumière dans le vide voisine de 3,00 10 8 m/s E énergie en joules ( J )

Les unités de masse et d’énergie Dans le S.I. masse en kg énergie en joules ( J ) En physique nucléaire masse en unité de masse atomique ( u ) 1 u = 1,6605402 10 –27 kg C’est le douzième de la masse d’un atome de carbone 12 : masse d’un proton = 1,00727 u masse d’un neutron =1,00867 u énergie en électron-volt ( eV) 1eV = 1,60  10 –19 J 1MeV = 1,60  10 –13 J

Défaut de masse d’un noyau

Défaut de masse d’un noyau AZ X m = m ( A nucléons séparés) – m (AZ X ) = [ Z mp + (A- Z) m n] – m (AZ X )

Energie de liaison E l d’un noyau C’est l’énergie qu’il faut fournir au noyau au repos pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles La conservation de l’énergie donne l’égalité : El + m noyaux. c2 = m nucléons séparés .c2 ou El = [ (Z mp + (A- Z) m n) – m (AZ X )]. c2 El =  m. c2

Energie de liaison par nucléon On doit au physicien anglais Francis Aston d’avoir le premier mesuré la masse des noyaux. En divisant cette masse par le nombre de nucléons, on en déduit la masse d’un nucléon à l’intérieur d’un noyau. La courbe d’Aston permit de constater que le fait d’appartenir au noyau faisait perdre aux nucléons un peu moins de 1 % de leur masse. Cette perte équivaut d’après la relation d’Einstein, en multipliant la masse par le carré de la vitesse de la lumière, à une perte d’énergie qui peut dépasser 8 MeV C’est l’énergie qu’il faut dépenser en moyenne pour arracher un nucléon au noyau : l’énergie de liaison par nucléon.

La courbe d’Aston : énergie de masse en MeV d’un nucléon lié en fonction de A

La courbe d’Aston utilisée en classe: -El /A = f (A)

La fission des noyaux lourds Réaction nucléaire provoquée au cours de la quelle un noyau lourd se scinde en 2 noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron La réaction se fait avec une perte de masse et un dégagement d’énergie voisin de 200MeV.

La réaction en chaîne Si la masse de matière fissile dépasse la masse critique, les neutrons libérés peuvent provoquer de nouvelles fissions

La découverte de la fission Otto Hahn et Lise Meitner avaient l'habitude de collaborer ensemble. On les voit sur la photographie en 1918, au moment de leur découverte de l'élément protactinium. Ce fut vingt ans après, en 1938, qu'ils découvrirent la fission nucléaire qui leur valut la célébrité. Physicien et chimiste allemand, Otto Hahn (1879-1968) obtint le prix Nobel en 1945

Perte de masse et énergie dégagée

Energie libérée lors d’une fission L’énergie libérée par une réaction nucléaire correspond à la diminution de la masse totale du système. La perte de masse  M =(masse totale avant réaction) – (masse totale après réaction) = mav – map. D’après la relation d’Einstein, l’énergie correspondante est égale à : Cette énergie est libérée sous forme : ·        d’énergie cinétique communiquée aux particules créées ; ·        d’énergie de rayonnement ( rayonnement électromagnétique de très grande fréquence et donc de grande énergie).

La fission non contrôlée la bombe atomique A Essai nucléaire atmosphérique sur l'atoll de Mururoa, en Polynésie française. Le pouvoir destructeur des armes nucléaires tient plus à l'effet de souffle et de boule de feu au moment de l'explosion, qu'à la radioactivité qui se trouve éclipsée. Celle-ci se manifeste plus tard par des retombées à proximité du point de tir responsables de fortes contaminations.

Les destructions de la Bombe A Hiroshima et Nagasaki

Nagasaki

La fission contrôlée Enrico Fermi Joliot Curie En 1938, Hahn et Strassmann découvrent la fission spontanée et le physicien français Frédéric Joliot-Curie, assisté de Lew Kowarski et Hans Von Halban, montre, en 1939, que ce phénomène de cassure des noyaux d’uranium s’accompagne d’un intense dégagement de chaleur. La découverte de la réaction en chaîne permettra l’exploitation de l’énergie nucléaire. Enrico Fermi Joliot Curie

Fission contrôlée si le nombre moyen de neutrons libérés est égal à 1 Les absorbeurs de neutrons

Les réacteurs nucléaires Les centrales nucléaires

Le cœur d’un réacteur où se produit la réaction de fission

Au cœur du réacteur Crayons d’oxyde d’uranium

La fusion nucléaire Deux noyaux légers s’unissent pour former un noyau plus lourd en libérant de l’énergie C’est la fusion d’hydrogène en hélium qui est à l’origine de l’énergie solaire :

Fusion thermonucléaire Il y a, au cœur du Soleil, une température de l’ordre de plusieurs dizaines de millions de degrés qui permet la fusion de noyaux légers comme ceux d’hydrogène en hélium.

Equations nucléaires: Schéma des réactions thermonucléaires de transformation de l'hydrogène en hélium  : Equations nucléaires:

Chaîne proton-proton, principale source d'énergie où 1H représente l'hydrogène, 2D le Deutérium, 3He l'hélium 3, 4He l'hélium 4, e+ un positron,  un neutrino et  l'émission de rayonnement . La masse des 2 neutrons et 2 protons qui servent à former l'hélium est légèrement supérieure à la masse de l'hélium ainsi constitué. Cette différence de masse, bien que faible, est transformée en énergie, selon la célèbre équation d'Einstein . 1038 chaînes de ce genre se produisent chaque seconde dans le Soleil ; 600 millions de tonnes d'hydrogène (sur les 2×1027 tonnes du Soleil) sont ainsi transformées en hélium chaque seconde, dont 4 millions se transforment en énergie.

Et sur Terre ? Cette réaction est difficile à réaliser car il faut rapprocher deux noyaux qui ont tendance naturellement à se repousser. Maîtriser sur Terre la fusion de noyaux légers, tels que le deutérium et le tritium, ouvriraient la voie à des ressources en énergie quasiment illimitées.

LA FUSION SUR TERRE L’homme cherche à maîtriser les réactions de fusion pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il a réussi à maîtriser celle-ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire de l’électricité. Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d’isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium qui fusionnent pour créer un noyau plus lourd, celui de l’hélium. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux

Remerciements et liens Les photos et schémas proviennent de documents appartenant aux sites suivants: Le CEA (commissariat à l’énergie atomique) http://www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie_nucleaire/l_energie_nucleaire_fusion_et_fission Le site laradioactivité.com http://www.laradioactivite.com/nucleairef.htm