Fission et fusion nucléaires
Exercice : Les réactions nucléaires – la fission et la fusion
| Document 1 : Les réactions de fission et de fusion nucléaires La liaison des protons et des neutrons par des forces nucléaires est la source de l’énergie nucléaire. Celle-ci peut être libérée par une réaction de fission ou de fusion. Un atome peut fissionner soit de manière spontanée si son noyau est trop lourd, soit parce qu’il a été heurté par un neutron. Dans un réacteur nucléaire, les noyaux fissiles d’uranium subissent une réaction de fission provoquée par bombardement de neutrons. Un des neutrons divise un noyau en deux autres noyaux, ce qui entraîne l’émission d’un ou plusieurs neutrons et la libération d’une très grande énergie sous forme de chaleur. Ces nouveaux neutrons vont provoquer d’autres réactions de fission, il s’agit donc d’une réaction en chaîne. Les réactions en chaîne de fission de l’uranium sont utilisées dans les centrales nucléaires en France. C’est une énergie très concentrée puisque 1 g de matière fissile permet de produire 24 000 kWh, soit l’équivalent de 2 tonnes de pétrole. La fusion de deux atomes légers apparaît lorsque les noyaux de ces deux atomes sont suffisamment proches l’un de l’autre pour fusionner, c’est à dire pour former un unique noyau. Comme les noyaux ont une charge électrique positive, ils se repoussent mutuellement, ce qui les empêche de fusionner. Si ces atomes sont dans un milieu très chaud, ils auront des vitesses suffisamment élevées pour pouvoir fusionner avant d’être séparés par la répulsion électromagnétique. C’est pourquoi on parle de fusion thermonucléaire. Au cœur du Soleil, la température est suffisamment élevée pour que des réactions de fusion nucléaire aient lieu : c’est ce qui fait briller le Soleil, car ces réactions s’accompagnent de libération d’énergie. Les physiciens s’attachent à contrôler la réaction de fusion qui pourrait constituer dans le futur une nouvelle source d’énergie. (d’après) http://www.mesure-radioactivite.fr/public/spip.php?rubrique73 |
- Quel intérêt principal présentent les réacteurs à fission nucléaire ? APP
- Pourquoi le noyau d’uranium est-il fissile ? APP
- Pourquoi peut-on qualifier la réaction de fission de réaction en chaîne ? APP
- Quelle difficulté les physiciens doivent-ils vaincre pour reproduire la réaction de fusion dans un futur réacteur ? APP
Document 2 : Exemples de réaction de fusion
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- Déterminer en unité de masse atomique (u) la valeur de la variation de masse relative à la réaction 1. REA
- En déduire la valeur de la variation de masse en kg pour la réaction 1. Pourquoi parle-t-on de défaut de masse en désignant ? ANA et REA
- Utiliser un tableur-grapheur pour visualiser le graphe donnant la valeur de l’énergie libérée Elib par la réaction en fonction de la variation de masse . REA
- Montrer que le graphe peut être modélisé par une fonction linéaire de la forme ou c représente une constante dont on déterminera la valeur. A quoi correspond cette valeur de c ? VAL
- Calculer l’énergie susceptible d’être récupérée à partir d’un 1,0 kg d’uranium (on supposera pour simplifier que seule se produit la réaction 2). ANA et REA
- Sachant qu’il faut une tonne de pétrole pour obtenir une énergie de 42 GJ, justifier l’intérêt de l’usage des réacteurs nucléaires pour notre pays. Un calcul est attendu. ANA et REA
Données : Masse d’un nucléon : mnucléon =1,0087 u
Masse du noyau d’uranium 235 = 234,9935 u
Masse du noyau de cérium 146 = 145,8869 u
Masse du noyau de sélénium 85 = 84,9036 u
1 u (unité de masse atomique) = 1,6749.10-27 kg
Correction
- Les réactions de fission produisent de très grande quantité d’énergie.
- Le noyau d’uranium est fissile car c’est un noyau lourd, donc instable.
- Les neutrons produits par la réaction vont pouvoir à leur tour servir de projectile et casser d’autres noyaux d’uranium, d’où l’expression « réaction en chaîne ».
- La principale difficulté est d’obtenir une température très élevée, proche de celle du Soleil.
- = m( ) + m( ) + 5.m( ) – m( ) – m( ) = – 0,1682 u.
- = – 0,1682 x 1,6749.10-27 = – 2,817.10-28 kg.
On parle de défaut de masse car < 0. La réaction de fission s’accompagne d’une perte de masse.
- Graphe :
- L’énergie est proportionnelle au défaut de masse. On peut donc écrire que Elib = a × .
Le coefficient directeur a = 8,97.1016 = c² donc c = = 2,995.108.La valeur de c correspond à la célérité de la lumière dans le vide (c = 2,99.108 m.s-1).
- Pour un noyau d’uranium utilisé, on récupère une énergie de 2,6689.10-11 J donc la fission de 1,0 kg d’uranium est susceptible de fournir une énergie de = 6,8.1016 J.
- Cette quantité d’uranium fournit donc autant d’énergie que = 1,6.106 tonnes de pétrole. L’usage des réactions nucléaires permet donc à notre pays d’être moins dépendant des pays producteurs de pétrole.
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