Chapitre 8 CENTRALES THERMIQUES ET REACTIONS CHIMIQUES Défi énergétique I- La production d’électricité : http://www.comcicomca.com/blog-multimedia-pedagogique/?p=81 1- Les centrales électriques thermiques Doc n°1 Une centrale thermique à combustible fossile utilise l'énergie fournie par la combustion d'un combustible (charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hautsfourneaux). Cette combustion a lieu dans une chaudière. La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de l'eau dans la chaudière (ou générateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression. Cette vapeur sous pression fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la chaudière. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une réserve d'eau (cours d'eau) ou plus rarement à une tour de refroidissement analogue à celle d'une centrale nucléaire. Donner la définition du terme « combustion ». Quelles sont les sources d’énergie utilisées dans ce type de centrale ? Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les transformations d’énergie qui y ont lieu. 2- Les centrales thermiques à combustible nucléaire Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par un réacteur nucléaire (fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239). Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit fermé). Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le Thème : Le défi énergétique Chapitre 8 Doc n°2 Centrales thermiques et réactions chimiques 1 circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne ellemême un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une tour de refroidissement et/ou un cours d'eau important. Les deux systèmes de refroidissement peuvent être utilisés simultanément. Les tours de refroidissement sont souvent surmontées d'un nuage résultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage ne doit pas être confondu avec de la fumée. Quels points communs y a-t-il entre le fonctionnement d’une centrale thermique à combustible fossile et celui d’une centrale thermique à combustible nucléaire ? Quelles sont les différences ? Quel type de réaction est à la base du fonctionnement d’une telle centrale ? Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les transformations d’énergie qui y ont lieu. 3- Les énergies mises en jeu Energie produite par différentes réactions : (en J par kg de combustible) Questions : Quelle est la réaction qui produit le plus d’énergie Combustion de 1 kg de pétrole 42x106 Combustion de 1 kg de charbon De 15x106 à 27x106 Combustion de 1 kg de butane 49x106 Fission de 1 kg d’uranium 235 7,5x1013 Fusion de 1kg d’hydrogène 5,9 x1014 par kilogramme de combustible ? Quelle est celle qui en produit le moins par kilogramme de combustible ? Quelle masse d’uranium 235 pourrait produire autant d’énergie qu’un kilogramme de pétrole ? 4- Conclusion Types de centrale étudiée Centrale thermique classique Centrale thermique nucléaire Combustible utilisé Réaction mise en jeu Elément commun (leur rôle) Polluants Thème : Le défi énergétique Chapitre 8 Centrales thermiques et réactions chimiques 2 II- Les réactions nucléaires de fission et de fusion 1- Rappels L’atome est formé d’un noyau (+) et d’électrons (-) qui se déplacent autour. L’atome est électriquement neutre . Le noyau renferme des protons (+)et des neutrons (neutre) et renferme la quasi totalité de la masse de l’atome. Les protons et les neutrons sont appelés les nucléons . Z(numéro atomique) = nombre de protons A , nombre de masse= nombre de nucléons . Le nombre de neutrons contenus dans le noyau s’obtient par soustraction ; il vaut A - Z . Représentation symbolique d’un atome Exemple : 235 92 A Z X où X est le symbole de l’élément correspondant. U composition : 92 protons et 235 – 92 = 143 neutrons. 12 6 Des isotopes, ont même Z mais A est différent. Exemple: C 13 6 C 14 6 C 2- Phénomène de la radioactivité http://www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie_nucleaire » Choisir le menu « énergie nucléaire » Dans la nature, la plupart des noyaux d’atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables. Un noyau instable se désintègre: il se transforme spontanément en un autre noyau en émettant des rayonnements et de l’énergie: c’est ce qu’on appelle la radioactivité naturelle. Elle peut être artificielle lorsque l'on bombarde les noyaux des atomes. Lors de sa désintégration, un noyau peut émettre différents types de rayonnement: Pourquoi certains noyaux sont-ils instables ? Comment les qualifie-t-on alors ? Que vont-ils subir ? Quelle en sera la conséquence ? La décroissance radioactive L'activité d'un échantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instables qu'il contient. La période radioactive ou demi-vie est le temps au bout duquel la moitié des noyaux radioactifs initialement présents a disparu par transformation spontanée. Loi de décroissance radioactive N = f (t) N/N0 1 T (période) : durée au bout de laquelle la (période) :se durée au boutdésintégrés de laquelle la moitié moitié desTnoyaux sont des noyaux se sont désintégrés 0,8 de noyaux restant N/N0 : nombre N/N0 nombre de noyaux restant en fraction du nombre initial en fraction du nombre initial 0,6 1/2 0,4 1/4 0,2 1/8 1/16 0 10 T Thème : Le défi énergétique 20 30 40 2T Chapitre 8 3T 50 60 4T 70 t (unité de temps) Centrales thermiques et réactions chimiques 3 3- La fission nucléaire Sous l’impact de « quel projectile » cette réaction a-t-elle lieu ? Qu’est-ce qu’une réaction nucléaire de fission ? Pourquoi parle-t-on de réaction en chaîne ? Dans quelle partie de la centrale nucléaire ont lieu les réactions nucléaires ? Qu’utilise-t-on pour les contrôler ? 4- La fusion nucléaire Qu’est-ce qu’une réaction de fusion nucléaire ? Quels sont les noyaux concernés ? Pourquoi cette réaction est-elle si difficile à réaliser? Où se produit naturellement cette réaction ? 5- Equations bilans : Identifier les réactions correspondant à des réactions de fission et fusion nucléaire. Lois de conservation : au cours d’une réaction nucléaire, le nombre total de protons Z et le nombre total de nucléons A sont conservés. Vérifier cette loi. Particules Symbole Lors d’une réaction de………………………………………………, un noyau lourd se scinde en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron. Lors d’une réaction de………………………………………………, deux noyaux -1 légers « s’agglomèrent » en un noyau plus lourd et plus stable 235 U + 92 1 0 94 n Sr + 140 38 Xe + H + 2 235 U + 92 1 0 n 85 35 Electron 1 2 Br + 148 3 2 4 He H + 2 La + 3 57 2 0 e n 0 38 3 1 n 0 Neutron 1 2 1 1 H n 0 H + 1 H 3 H 1 2 1 Il est souvent écrit dans des articles de presse : « la fusion contrôlée, le rêve du nucléaire propre ». Comment pouvez-vous expliquer cette affirmation ? Thème : Le défi énergétique Chapitre 8 Centrales thermiques et réactions chimiques 4