1L Enjeux planétaires énergétiques Activité.3 : Fission nucléaire 1

1L
Enjeux planétaires énergétiques
Activité.3 : Fission nucléaire
1. Les noyaux atomiques :
1.1 : Rappels :
L'atome est constitué d'électrons et de nucléons (protons et neutrons). Il est électriquement neutre. Les nucléons
constituent le noyau, les électrons forment le "nuage électronique" entourant le noyau.
On appelle nombre de masse A le nombre de nucléons d'un noyau, et nombre de charge Z le nombre de protons de ce
noyau. Le nombre de neutrons du noyau est donc : N = A -Z.
L'atome étant électriquement neutre, Z désigne donc aussi le nombre de ses électrons et est appelé également numéro
atomique.
1.2 : Définitions :
On appelle élément chimique l'ensemble des atomes de même numéro atomique Z.
On appelle nucléide l'ensemble des atomes de noyau identique. Deux atomes d'un même nucléide ont donc même
numéro atomique et même nombre de masse.
1.3 : Représentation d'un nucléide de l'élément X :
X
On appelle isotopes les nucléides différents d'un même élément (Exemples : les isotopes du carbone :
12
6
C ;
13
6
C ;
14
6
C)
1.4 : Exemples :
1) Un atome de potassium (K) possède 19 électrons et 20 neutrons.
2) Donner son numéro atomique ou nombre de charge Z.
3) Combien de nucléons comporte cet atome ? En déduire son nombre de masse A.
4) Donner le symbole du nucléide correspondant.
5)
Donner la composition du noyau de l’ion potassium K+ correspondant au nucléide précédent.
6)
Des nucléides présentés ci-dessous, identifier les isotopes :
235
92
U ; 57
27 Co
;
32
16
S
;
234
92
U;
32
15
P
;
238
94
Pu
;
238
92
U.
Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables. Cependant, certains atomes ont des noyaux instables, ce
qui est dû soit à un excès de protons ou de neutrons, soit à un excès des deux. Ils sont dits radioactifs.
La stabilité du noyau dépend donc du nombre de nucléons.
2. La radioactivité :
2.1 : Présentation :
En 1896, Henri Becquerel découvre la radioactivité : en rangeant sa plaque photographique près de sels d'uranium qu'il
était en train d'étudier, il découvrit que le film photographique avait été impressionné sans avoir été exposé à la lumière.
Il en conclut que l'uranium émettait des rayonnements invisibles.
Les noyaux d'atomes radioactifs se transforment spontanément en d'autres noyaux d'atomes, radioactifs ou non.
Cette transformation d'un atome radioactif en un autre atome est appelée désintégration nucléaire. Elle s'accompagne
d'une émission de différents types de rayonnements.
Une réaction nucléaire, en transformant les édifices des noyaux atomiques, s'accompagne ainsi d'un dégagement d’énergie
appelée alors énergie nucléaire.
Un échantillon radioactif se caractérise par son activité A qui est le nombre de désintégrations de noyaux radioactifs
par seconde qui se produisent en son sein. L'unité d'activité est le becquerel, de symbole Bq.
(1 Bq = 1 désintégration par seconde).
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2.2 : 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 désintégration radioactive d'un noyau donné est un phénomène aléatoire : l’instant de la désintégration d’un
noyau est indéterminé mais, cependant, on peut définir pour chaque isotope radioactif une période radioactive.
A partir de l’illustration ci-dessous où chaque cercle coloré représente un noyau radioactif encore présent, donner
la définition de la période radioactive T, en complétant la phrase ci-dessous.
La période radioactive est le ………………… au bout duquel ………………………… des atomes radioactifs initialement présents a
……………………….. par transformation spontanée.
Selon les atomes radioactifs concernés, cette période est très variable : quelques secondes, heures... plusieurs jours..
centaines d'années... ou milliards d'années.
Application : analyse d’une expérience
A l’aide d’un compteur, on détermine le nombre moyen n de désintégrations d’un radionucléide pendant une durée constante
∆t = 5s. Les mesures sont effectuées toutes les deux minutes. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau suivant :
t (min)
n
1.
2.
3.
0
1586
2
1075
4
741
6
471
8
355
10
236
12
155
Quelle est l’activité A0 (en becquerel Bq) de cet échantillon à l’instant t = 0 de l’expérience ?
Tracer ci-dessous la courbe de l’activité A(t) en fonction du temps t.
En déduire la valeur approximative de la période radioactive T.
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2.3 : Réaction de fission nucléaire :
Sous l’effet d’un bombardement de neutron, un noyau d’uranium se brise en plusieurs noyaux plus petits. Cette
transformation est une réaction nucléaire, plus précisément une réaction de fission
nucléaire.
La fission dégage de l’énergie sous forme de chaleur, que l’on peut donc utiliser pour produire de l’électricité. Cette
réaction s’accompagne également de rayonnements alpha, bêta et gamma et libère un ou plusieurs neutrons. Ces particules
sont susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d’un noyau d’uranium. La réaction nucléaire peut ainsi
se poursuivre de proche en proche, on parle de réaction en chaîne.
Quelques possibilités d’équation bilan de la fission de l’uranium 235 :
235
U + neutron → 94Sr + 140Xe + 2 neutrons
235
U + neutron
→
139
Te +
235
U + neutron
→
141
235
U + neutron
→
144
Ba +
Ba +
94
Zr + 3 neutrons
92
Kr + 3 neutrons
90
Kr + 2 neutrons
L'énergie dégagée devient très vite considérable; sans précaution, la réaction en chaîne conduit à une explosion : c'est
l'effet d'une bombe A.
Convenablement maîtrisée dans un réacteur nucléaire à l’aide de barres de commande, cette réaction en chaîne peut
constituer la source d'énergie nécessaire au fonctionnement d'une centrale électrique.
2.4 : Les trois familles de rayonnement :
 Les rayons alpha, formés de noyaux d'hélium (deux protons et deux neutrons)
 Les rayons bêta, formés pour certains, d’électrons.
 Les rayons gamma, rayonnements électromagnétiques de même nature que la lumière, mais beaucoup plus
énergétiques.
3. Gestion des déchets radioactifs :
En utilisant l’adresse URL suivante, répondre aux questions :
http://www.irsn.fr/FR/base_de_connaissances/Installations_nucleaires/dechets-radioactifs/gestion-dechetsradioactifs/Pages/sommaire.aspx
a) Qu’appelle-t-on « déchets radioactifs » ?
b) Comment classe-t-on ces déchets ?
c) Quel organisme gère les déchets radioactifs ?
d) Où et comment stocke-t-on les déchets à « vie courte » ? Quels moyens utilise-t-on ? Pourquoi ?
e) Procède-t-on de la même façon pour les déchets « à vie longue » ?
4. Sécurité dans les centrales nucléaires – Dangers de la radioactivité - Radioprotection
Répondre aux questions, en utilisant l’adresse Internet suivante :
Site : http://www.cea.fr et plus précisément http://www.cea.fr/Fiches/index.htm
a) Pourquoi utilise-t-on du béton et du plomb dans une centrale nucléaire ?
b) Quelles sont les normes de construction utilisées dans le cas d’une centrale nucléaire ?
c) Quels moyens utilise-t-on pour vérifier la conformité et la sécurité d’une centrale nucléaire ?
d) Que se passe-t-il au sein de notre organisme lorsqu’il est soumis à des rayonnements ?
e) Quels peuvent être les effets immédiats de ces rayonnements ionisants ?
f) Quels sont les effets à long terme ? Y en-a-t-il d’autres qui ne sont pas mentionnés sur le site ? Lesquels ?
g) Qu’est-ce que la radioprotection ?
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