III - Énergie nucléaire - Physique

Thème 3 – Chapitre 7
Conservation de l’énergie
III - Énergie nucléaire
III - Énergie nucléaire
Source : Wikipédia - http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_nucl%C3%A9aire consulté le 16/03/2014
III - Énergie nucléaire
Réaction nucléaire
nucléus = noyau
Exemple de réaction nucléaire spontanée
C N  e 
14
6
14N
C
76
0
-1e
14
7
0
1
Exemple de réaction nucléaire spontanée
C N  e 
14
6
14
7
0
1
14N
C
76
0
-1e
Datation de matière
organique dont le
carbone n’est plus
recyclé depuis moins de
50 000 ans
Source : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mummy_Louvre.jpg consulté le 16/03/2014
Exemple de réaction nucléaire spontanée
C N  e 
14
6
14
7
0
1
Quelles grandeurs sont conservées au cours de cette réaction ?
III - Énergie nucléaire
Source : Wikipédia - http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_nucl%C3%A9aire consulté le 16/03/2014
Source : Areva
http://www.areva.com/
FR/activites-807/lafabrication-desassemblages-decombustible.html
Consulté le 16/03/2014
0n
94Sr 1n
0
38
235U
92 1
140Xe
0n
54
U  n Sr  Xe  2 n
235
92
1
0
94
38
140
54
1
0
0n
Quelles grandeurs sont conservées au cours de cette réaction nucléaire de
fission ?
94Sr 1n
0
38
235U
92 1
140Xe
0n
54
U  n Sr  Xe  2 n
235
92
1
0
94
38
140
54
1
0
III - Énergie nucléaire
1p
1
2H
1
0e
1

1p
1
1
1
H  H  H  e 
1
1
2
1
0
1
1p
1
2H
1
0e
1

1p
1
1
1
H  H  H  e 
1
1
2
1
0
1
Chaîne proton – proton de la nucléosynthèse stellaire (un peu simplifiée)
qui domine pour des étoiles comme le soleil ou de masse plus petite
1
1
H  H  H  e 
1
1
3
2
1
1
2
1
0
1
H  H  He  
2
1
3
2
He  He He 2 H
3
2
4
2
1
1
III - Énergie nucléaire
III-1- Définitions
Réaction nucléaire : transformation d’un ou plusieurs noyaux d’atomes
2 catégories de réactions : - spontanées
2 catégories de réactions : - provoquées (apport d’énergie de l’extérieur)
2 types de réactions provoquées :
• fission : noyau se brise en deux
• fusion : deux noyaux légers fusionnent
III-2- Équation de réaction
Pour écrire une équation de réaction nucléaire :
- conservation du nombre de nucléons
- conservation de la charge électrique
Pourquoi une réaction nucléaire libère de l’énergie ?
Apport d’énergie E pour séparer les Z
protons et les A-Z neutrons du noyau
Noyau AZ X
Masse du noyau : m( AZ X )
Apport d’énergie E pour séparer les Z
protons et les A-Z neutrons du noyau
Noyau AZ X
Masse du noyau : m( AZ X )
Masse totale des nucléons séparés
Apport d’énergie E pour séparer les Z
protons et les A-Z neutrons du noyau
Noyau AZ X
Masse totale des nucléons séparés
Masse du noyau : m( AZ X )
Masse totale : m = Z m(p) + (A-Z) × m(n)
Apport d’énergie E pour séparer les Z
protons et les A-Z neutrons du noyau
Noyau AZ X
Masse totale des nucléons séparés
Masse du noyau : m( AZ X )
<
Masse totale : m = Z m(p) + (A-Z) × m(n)
La formation d’un noyau s’accompagne d’un défaut de masse correspondant à l’énergie
de liaison du noyau.
(Z m(p) + (A-Z) × m(n))c² = m( AZ X )c² + E
Énergie de masse des nucléons séparés
Énergie libérée lors de la
formation du noyau = à
l’énergie de liaison du noyau
Énergie de masse du noyau formé
Comment récupère-t-on de l’énergie nucléaire ?
Noyau AZ X
Comment récupère-t-on de l’énergie nucléaire ?
Idée : Former des noyaux dont l’énergie de liaison par nucléon est plus
importante pour « perdre de la masse »
Noyau X1
Noyau AZ X
Noyau X2
m( AX )c2 > m (X1)c2 + m(X2)c2
Z
La perte de masse fois la vitesse de la lumière au carré va correspondre à
l’énergie libérée.
E
= (m
– m ) c2
libérée
avant
après
III-3- Énergie de masse
À toute masse m on peut associer une énergie de masse : E = mc2
où c est la vitesse de la lumière.
L’énergie libérée lors d’une réaction nucléaire est égale à l’énergie de masse
perdue par le système
Elibérée = (mavant – maprès) c2
J
kg
kg
m/s
mavant : masse totale des noyaux et particules avant réaction nucléaire
maprès : ’’
’’
après réaction nucléaire.
0n
Exemple d’un type de fission de l’Uranium
94Sr 1n
38 0
235U
92 1
139Xe
0n
54
1,00 eV = 1,60 × 10-19 J
U  n Sr  Xe  2 n
235
92
1
0
94
38
140
54
1
0
Elibérée = (mavant – maprès) c2
Elibérée = [m (235U) + m (n) – (m (94Sr) + m (140Xe)+ 2 m(n))] c2
Elibérée = [m (235U) – m (94Sr) - m (140Xe) - m(n)] c2
Elibérée = [390,220 – 232,298 - 155,917 – 1,675] × 10-27 × (3,00 × 108)2
Elibérée = 2,97 × 10-11 J
Elibérée = 1,86 × 108 eV = 186 MeV
La fission d’1 noyau d’uranium libère une énergie plus d’un
million de fois plus importante que la combustion d’1
molécule d’alcane.
Source : Wikipédia - http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_nucl%C3%A9aire consulté le 16/03/2014