Applications pacifiques du nucléaire

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1 Applications pacifiques du nucléaire
Le nucléaire Énergie de fission Énergie de fusion Applications pacifiques du nucléaire

2 Les atomes: énergie de liaison par nucléon
fission fusion La fusion, un potentiel de 6 fois plus d’énergie récupérée par nucléon que pour la fission

3 L’énergie de fission Gentilly 1 et 2

4 La forte densité énergétique
1 atome d’U235 libère environ 200 Mev ou encore 3, J 1 atome-gramme (N0 = 6, atomes) libère 1, J L'unité d'énergie dégagée dans les explosions est la tonne, kilotonne ou mégatonne de TNT (trinitrotulène), explosif classique. 1 tonne TNT = 1,016 x 109 calories ≈ 4,25 x 109 joules. 1 kg d’U235 ( ~ 4,25 at-gr) libère environ 8, J, C’est l’énergie équivalente à 20kt de TNT. Une tonne de charbon libère théoriquement 2,9 1010J 1 kg d’U235 équivaut à 3 tonnes de charbon

5 La fission nucléaire forte densité énergétique

6 La réaction en chaîne à l’origine de la puissance de la bombe à fission «Bombe-A»
L’énergie libérée par une explosion est dissipée sous forme d’énergie cinétique et d’énergie thermique. Dans le premier cas, la forte expansion des gaz crée une onde de pression (onde de choc) qui fait «tout volé en éclats», les hautes températures provoquent l’incendie. L’effet destructeur est lié à la puissance, dons à la rapidité du processus de combustion. P = E / t Les réactions chiques: La plus grande mobilité des molécules dans les fluides que dans les solides explique qu’une bombone de gaz «explose», et que le pétrole brûle plus violemment que le charbon. La «combustion» du TNT est une réaction chimique beaucoup plus rapide que celle des hydrocarbures et libère à une densité énergétique moindre, encore plus de puissance Les réactions nucléaires de fission (bombe-A) et de fusion(bombe-H) sont encore plus rapides

7 Le nucléaire forte densité énergétique La réaction en chaîne
1 2 3 9 8 7 6 4 5 La réaction en chaîne Temps de la réaction de fission: s À partit d’une première fission, en supposant que chaque fission libère 3 neutrons, le nombre de noyaux fissionnés à la nièmefission «fille», dans un bloc d’U235 pur, est de: 3n 1 3 = 31 9= 3² 27 = 3³

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10 Schéma du réacteur REP-PWR

11 Un échangeur de chaleur

12 Le remplacement d'une centrale à charbon de type classique de 1000 mégawatts électriques par une centrale nucléaire de puissance équivalente permet d'éviter le rejet à l'atmosphère d'environ 7 millions de tonnes de gaz carbonique CO2 et de tonnes de soufre par an.

13 Cœur du CANDU photo de Robert Del Tredici, tiré de son livre intitulé Photo tirée du livre At Work In The Fields Of The Bomb (Harper and Row, 1987)

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16 La sécurité radionucléaire
Pression négative dans l’enceinte du réacteur L’accès à la centrale est «protégé»

17 La «dépendance» nucléaire
1999: 31 pays ont un parc nucléaire, production de 2291 TWh 7% de l ’énergie totale primaire 16% de l ’électricité mondiale 35% de l ’électricité de l ’Union européenne 75% de l ’électricité française % de la production d’électricité 434 réacteurs: Amérique du Nord: 131 Europe de l ’Ouest: 151 Europe de l ’Est: 64 Asie: 81 Données:

18 Répartition des réserves d’uranium
L’Expansion, octobre 2005, n0 701, p. 64

19 L’Uranium: bilan des ressources
Prix de l’Uranium ($ par livre) X par 2,2 pour $ par kg consommation production Production minière et consommation (en millions de livres; :2,2 pour kg) Source: World Energy Council L’Expansion, octobre 2005, n0 701, p. 64

20 Bilan des ressources À 80$/kg  2,5 millions (106) de tonnes d’uranium
Jusqu’à ce jour (2002) 2 millions de tonnes ont été utilisées 1, 2 millions de tonnes consommées tonnes en stocks (70 % réserves stratégiques militaires) U235 0,715 % du minerai naturel soit ten (1 ten = 7, Joules) Les ressources de 2,5 106 tonnes équivalent Joules soit 4 années de consommation mondiale d’énergie primaire

21 Le recyclage des ogives nucléaires
armes 8 000 armes Le recyclage des ogives nucléaires Le Monde diplomatique, octobre 203 «Terrorisme nucléaire, mythes et réalités», Geoges Le Guelte, Le Monde diplomatique, octobre 2003, p.22

22 Le nucléaire

23 Le nucléaire

24 Le nucléaire: projet de construction en MW (1999)

25 Un choix par défaut: le nucléaire?
Selon l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA) 60 centrales seront construites dans le monde d’ici 2020 La Chine: contruction de 2 à 3 centrales/an jusqu’en 2020 pour 4% (ou 40 MW l’équivalent de toute la production québécoise en 2005) de la consommation d’énergie du pays. L’objectif : une couverture de 16% de la consommation totale d’énergie primaire (besoins de plusieurs centaines de réacteurs) Un moyen de respecter les accords de Kyoto ? Le Monde, déc 2005

26 C'est ainsi, par exemple, que le remplacement d'une centrale à charbon de type classique de 1000 mégawatts électriques par une centrale nucléaire de puissance équivalente permet d'éviter le rejet à l'atmosphère d'environ 7 millions de tonnes de gaz carbonique CO2 et de tonnes de soufre par an.

27 L’Accident de Tchernobyl et l’impact sur la France

28 CEA le cycle du combustible, fiche pédagogique

29 Le traitement du combustible «usé»

30 Les déchets nucléaires dehaute activité
Il existe deux types de déchets radioactifs de longue durée: Les déchets dits de «haute activité», combustible usé du réacteur ou encore éléments issus du retraitement (90% de la radioactivité ) Les déchets de moyenne activité à vie longue provenant des matériaux utilisés dans les réacteurs ou encore résidus des usines de retraitement (dix fois plus en volume que les précédents) La Recherche, sept. 2003, p.62

31 L’enfouissement des déchets nucléaires
Les choix français séparation et transmutation stockage profond en formation géologique entreposage en subsurface La Recherche, sept. 2003, p.62

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33 La radioactivité comparée

34 Irradiation des aliments
Santé Canada autorise l’irradiation des pommes de terre, des oignons, du blé, de la farine de blé, des épices et des assaisonnements

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36 une source d’énergie électrique et de chaleur
Le nucléaire: une source d’énergie électrique et de chaleur pour ou contre ? peut-on s’en passer ?

37 d’électricité La production

38 La production d’hydrogène
Le nucléaire La production d’hydrogène Pour la terre entière les besoins mondiaux d’énergie la valorisation de grandes réserves d’uranium (Australie, Kazakhstan, Canada) l’amélioration de la qualité de l’air le bouclier canadien, un «cimetière» mondial des résidus nucléaires des régions de sous développement économique offrant des sites propices pour les centrales: Abitibi, Gaspésie et Côte Nord le savoir faire (expertise) une nation pacifique Ça se discute !

39 L’énergie de fusion

40 L’énergie de fusion La Recherche, janv 2006, p.65

41 La fusion nucléaire: les réactions
Les réactions de fusion des isotopes de l’hydrogène D + D  T(1 MeV) + p(3 MeV) + Q Q = 4 MeV D + D  He3(0,8 MeV) + n(2,4 MeV) + Q Q = 3,2 MeV D + T  (3,5 MeV) + n(14 MeV) + Q Q = 17,5 MeV Les noyaux d’hydrogène (deutérium et/ou tritium) doivent être suffisamment excités ou «chauds» (car l’énergie d’excitation est proportionnelle à la température E ~ kT) pour pouvoir vaincre la barrière de Coulomb (répulsion des charges des noyaux: FE ~ q²/d²) et s’interpénétrer (d ~ m).

42 La fusion nucléaire: les fondements (1)
Dans le cas T-D, le taux de réaction est maximal pour une énergie moyenne de l’ordre de 80 keV. C’est cette réaction qui sera exploitée. Le tritium n’existe pas dans la nature et doit être produit à l’intérieur du réacteur par l’intermédiaire de réactions entre les neutrons et du lithium introduit en couverture du coeur. La Recheche, avril 1992, p.438 1 gramme du mélange (T-D) libère 3, j ; autant que 8 tonnes de pétrole

43 La fusion nucléaire: les fondements (2)
chauffage: E  kT k = 1, JK-1 = 1, eVK-1 1 KeV  107 K 10 KeV  108 K Le critère de Lawson: n  à T = 107 K n   à T = K n nombre d’ions/m³ (Soleil :  = kg/m³, n ~ 1030 at/m³, T = 107 K)  temps de confinement

44 La fusion nucléaire dite lente
confinement magnétique d’un plasma d’ions T-D avec la centrale «Tokamak» : n et  ( 1s) La Recheche, avril 1992, p.440

45 La fusion nucléaire (lente)
Tokamak

46 La Recherche, janv 2006 p.66

47 JET (MW), le Tokamak européen
La Recheche, avril 1992, p.437

48 ITER: International thermonuclear experimental reactor
Coût projeté 5 milliards $;année de mise en service 2014, espoir de mise au point commercial de la fusion «lente» pour 2050. confinement magnétique d’un plasma de noyaux d’hydrogènes à millions 0C. La Recherche, juin 2002, p.16

49 La fusion nucléaire dite rapide
confinement inertiel d’une pastille T-D «gelée» avec la centrale à lasers: n et   ( 10-9 s) La Recheche, avril 1992, p.438

50 La fusion nucléaire (rapide)
La Recherche, avril 1992, p. 439

51 La fusion rapide La Recherche,janv. 2003

52 La Recherche,janv. 2003

53 La Recherche,janv. 2003 La fusion rapide

54 La Recherche,janv. 2003 La fusion rapide

55 La fusion nucléaire (rapide)
Centrale à lasers