Chapitre 8 Centrales thermiques et les réactions chimiques avec

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
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Chapitre 8
Doc n°2
Centrales thermiques et réactions chimiques
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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
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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
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30
40
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t (unité de temps)
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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 ?
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