TPE : L’ENERGIE NUCLEAIRE : De l’atome à l’électricité. Réalisé par : Jean-Loup Massy Nicolas Pascouau Benjamin Négraud

Introduction Ce TPE va vous présenter l’énergie nucléaire dans tous ces états. Après une courte approche historique, nous verrons le principe scientifique de l’énergie nucléaire, puis nous verrons différents exemples d’utilisation de l’énergie nucléaire. Enfin nous dresserons le bilan de l’utilisation de l’énergie nucléaire aujourd’hui en France et dans le monde. La conclusion répondra à la problématique principale de ce TPE : le nucléaire est-il une énergie d’avenir ?

Qu’est que l’énerie nucléaire ? L’énergie nucléaire est l’énergie obtenue a partir du noyau de certains atomes. Il existe différents moyens de libérer cette énergie : la fission du noyau, la fusion du noyau et la radioactivité. Ces moyens sont présentés ci après.

Approche historique Petite histoire de l’atome : - En 455 avant J.C., des savants grecs émettent l’hypothèse qu’il existe une entité indestructible de la matière qu’ils baptisent « atomos » ( en grec : incassable )‏ - En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvre que des plaques photographiques qu’il avait laissé prés de sels d’Uranium dans une pièce à l’abri de la lumière ont été impressionnées. Il détermine alors que les seuls responsables possibles de l’impression ne peuvent être que les sels d’Uranium. Il vient de découvrir la radioactivité naturelle. - De 1911 à 1913, Rutherford et Bohr, deux chercheurs allemands, mettent au point le modèle de l’atome : ils déterminent qu’il est constitué d’un noyau contenant des protons chargés positivement, et qu’autour de ce noyau gravitent des électrons chargés négativement. Enfin ils déterminent que l’atome est électriquement neutre. Petite histoire du nucléaire : - En 1919, Ernest Rutherford réalise la première désintégration nucléaire : en bombardant des atomes d’azote avec des rayons alpha, il parvient à les transformer en un isotope de l’oxygène. - En 1939, Fréderic Joliot-Curie et des chercheurs allemands découvrent la fission du noyau de certains atomes dits fissiles, et découvrent qu’elle peut provoquer une grande chaleur et une réaction en chaine.

La fusion nucléaire La fusion nucléaire est le mode de libération de l’énergie nucléaire le plus naturel car elle se produit dans le soleil depuis des milliards d’années. Elle consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques pour former un noyau plus lourd. Dans le Soleil, ce sont un noyau de detérium et un noyau de tritium ( isotopes radioactifs de l'hydrogéne comportant respectivement 1 et 2 neutrons ) qui fusionnent pour donner un noyau d'helium 4 et un neutron. Cette fusion nécessite une grande quantité de chaleur, mais la chaleur produite est prés de mille fois plus intense. Pour l’instant, on ne sait pas reproduire cette fusion sur Terre mais des recherches sont en cours pour essayer d’obtenir de l’énergie à partir de la fusion d’autres noyaux que ceux des isotopes de l’hydrogène.

La fusion en images

La fission nucléaire La fission est un autre moyen de libérer l’énergie nucléaire. On ne peut l’utiliser qu’avec très peu d’atomes dont le noyau est dit fissile, comme l’uranium 235 ou le plutonium 239. Il existe deux types de fission nucléaire, la fission induite et la fission spontanée. La fission induite consiste en une collision entre un neutron libre et le noyau d’un atome fissile. Cette collision provoque la rupture en 2 du noyau de l’atome et la libération de 2 ou 3 neutrons. Cette rupture permet également de libérer une grande énergie qui, comme pour la fusion, se manifeste sous forme de chaleur. Pour la fission spontanée, c’est le même principe sauf que le noyau se scinde tout seul en deux, sans collision avec un neutron. Les neutrons libérés vont à leur tour entrer en collision avec d’autres noyaux fissiles qui vont à leur tour se scinder en deux, libérer deux ou trois neutrons chacun et libérer l’énergie qu’il contient : c’est la réaction en chaîne.

La fission en images

La radioactivité La radioactivité est un autre moyen de libérer l’énergie nucléaire. C’est une propriété naturelle de certains atomes dits « lourds ». Les noyaux de ces atomes contient beaucoup de particules qu’il ont du mal a retenir. Ils sont dits instables. Pour se stabiliser, ces noyaux vont se désintégrer c’est à dire qu’il vont emmètre des particules ou des rayons pour se transformer en des atomes plus stables. C’est la radioactivité naturelle. Il existe 3 types de radioactivités naturelles : La radioactivité alpha (α) : éjection d’un noyau d’hélium 4 par le noyau de l’atome. C’est ce rayonnement qu’utilise l’atome d’uranium 235 pour se stabiliser : il éjecte plusieurs noyau d’hélium 4 pour se transformer en un autre atome, le radium 226, lui aussi radioactif, qui se transforme ensuite en radon 222, aussi radioactif qui se transforme lui-même par désintégrations successives en plomb 206, non radioactif. La radioactivité béta ( β) : éjection par un noyau instable d’un seul neutron, comme pour le thorium 234. Certains noyaux trop chargés en protons vont emmètre un positron, une particule de même masse que l’électron mais chargé positivement. La radioactivité gamma (γ) : émission simple d’un rayonnement, comme pour le nickel 60.

La radioactivité ( suite )‏ Certains noyaux ne peuvent se désintégrer que quelques minutes après leur création, comme l’oxygène 15 ( 2,02 minutes, il se transforme ensuite en oxygène 16, non radioactif), d’autres le peuvent pendant plusieurs milliards d’années, comme l’uranium 238 ( 4.48 milliards d’années). Cette durée s’appelle la période radioactive de l’atome. On peut aussi créer des isotopes radioactifs à des atomes, qu’ils soient radioactifs ou non. On peut ainsi créer de l’uranium 235 avec de l’uranium 238, mais aussi du nickel 60 gràce à du cobalt 60. On utilise pour cela une machine appellée cyclotron qui transforme des protons en neutrons.

La radioactivité en images Ci-dessous un cyclotron

Les utilisations de l’énergie nucléaire Après avoir vu les moyens d’extraire l’énergie nucléaire, nous allons maintenant voir les différents utilisations de cette énergie. Comme nous ne pouvons pas étudier toutes les utilisations, nous allons voir 4 exemples d’utilisation. 1er exemple : La production d’électricité dans une centrale à eau pressuirisée.

2ème exemple : La bombe nucléaire

2ème exemple : La bombe nucléaire

3ème exemple : La médecine nucléaire On utilise la médecine nucléaire en imagerie médicale. Pour cette médecine, on injecte à un patient un produit à base d’atomes qui emmettent une radioactivité de type gamma, c’est-à-dire un rayonnement simple. On enregistre ensuite le déplacement de ce produit dans le corps que l’on peut suivre grâce à son rayonnement à l’aide d’un appareil de radiographie. En fonction du produit utilisé, on peut surveiller le fonctionnement d’un organe précis, par exemple le thallium pour le cœur.

3ème exemple : La médecine nucléaire On peut aussi utiliser la radioactivité pour le traitement de certaines maladies, principalement le cancer. Dans un cyclotron, on produit des protons et des neutrons qui sont ensuite bombardés à l’aide d’un appareil de radiothérapie sur certaines cellules dont ils vont rompre certaines parties de l’ADN de façon à empêcher leur multiplication.

Bilan du nucléaire aujourd’hui en France. Les différentes utilisations du nucléaire aujourd’hui en France sont : - la production d’électricité : 19 centrales en activité totalisant 58 réacteurs d’une capacité totale de production de 549.1 TWh ( soit 78 % de l’énergie consommée) dont : - 34 réacteurs d’une puissance de 900 MWh - 20 réacteurs d’une puissance de 1300 MWh - 4 réacteurs d’une puissance de 1450 MWh - la défense nationale : il y a en France 4 centres de recherches concernant la bombe nucléaire - militaire : l’armée française utilise l’énergie nucléaire pour faire fonctionner les moteurs des navires à propulsion nucléaire et pour permettre une autonomie de plusieurs mois en électricité et en carburant sans avoir à remonter à la surface aux sous-marins. - médicale : la France utilise beaucoup la radiographie à l’aide d’isotopes radioactifs.

Bilan du nucléaire aujourd’hui en France. Ci contre de gauche à droite et de haut en bas : la centrale nucléaire de Civaux, un essai nucléaire français à Mururoa, le porte avions nucléaire Charles de Gaulle et le sous-marin nucléaire SNLE « Le Terrible »

Bilan du nucléaire aujourd’hui dans le monde Aujourd’hui dans le monde on note de fortes disparités entre les pays quant à l’utilisation de l’énergie nucléaire. Ceci s’explique par le manque de moyens des pays en développement : - En effet, pour que l’électricité produite à partir du nucléaire soit compétitive, il est nécessaire de pouvoir produire de grandes quantité d’énergie en même temps, ce qui coûte très cher. - Pour les autres utilisations de l ’énergie nucléaire, les pays en develloppement manquent aussi de moyens pour acheter du matériel, mais manquent surtout de personnel compétent pour l’utiliser. - En conclusion, nous dirons que seuls les pays dévellopés peuvent bénificier de l’énergie nucléaire.

Bilan du nucléaire aujourd’hui dans le monde Ci contre, en haut, le graphique montrant la part du nucléaire dans la production mondiale d’électricité, ci-dessous, à gauche, la carte de répartition des réacteurs nucléaires et, à droite, la carte des pays possédant l’arme nucléaire.

Conclusion L’énergie nucléaire comme mode de production d’électricité : une solution d’avenir ?

Principaux avantages et inconvénients de l'énergie nucléaire CARACTERISTIQUES AVANTAGES INCONVENIENTS COMMENTAIRES Produit essentiellement de l'électricité Energie aux usages multiples Se prête mal à l'utilisation directe dans les transports Ne peut remplacer les hydrocarbures, au moins dans cette tranche d'utilisation, qui représente 20% des besoins en énergie Coût de l'énergie produite Compétivité Investissements élevés Fonctionnement en base Disponibilité >80%   Insensible aux aléas climatiques Sensibilité du coût de production au prix de l'uranium naturel <1% Le prix de l'uranium peut augmenter sans effet notable sur le coût de l'énergie produite. Taille unitaire des installations de production Grandes puissances unitaires (1000 MW)‏ Réacteurs de petite puissance non compétitif Mal adaptée pour pays en voie de développement sauf pour les grandes concentrations urbaines. Diversité des approvisionnements Ressources en uranium bien diversifiée Le prix de l'uranium est indépendant de celui du pétrole Production de CO² Aucun effet de serre Production de déchets Très faible volume Radioactivité élevée et longue durée de vie Handicap principal actuel de l'énergie nucléaire Effets d'irradiation direct <1% à la radioactivité naturelle Risques d'accidents radioactifs <1 par million d'années Effet considérable Risque décroissant avec l'amélioration de la sûreté Sensibilité aux attentats et à la malveillance Comparables à d'autres industries sensibles Protection en constante amélioration

Et qu’en pense la population ?

En espérant que ce diaporama vous à plu, Nos sources : CEA SFEN EDF FIN !!