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TPE : L’ENERGIE NUCLEAIRE
:
De l’atome à l’électricité.
Réalisé par : Jean-Loup Massy
Nicolas PascouauBenjamin Négraud
Introduction
Ce TPE va vous présenter l’énergie nucléaire dans tous ces
états. Après une courte approche historique, nous verrons le
principe scientifique de l’énergie nucléaire, puis nous verrons
différents exemples d’utilisation de l’énergie nucléaire. Enfin
nous dresserons le bilan de l’utilisation de l’énergie nucléaire
aujourd’hui en France et dans le monde. La conclusion
répondra à la problématique principale de ce TPE : le nucléaire
est-il une énergie d’avenir ?
Qu’est que l’énerie nucléaire ?
L’énergie nucléaire est l’énergie obtenue a
partir du noyau de certains atomes. Il existe
différents moyens de libérer cette énergie :
la fission du noyau, la fusion du noyau et la
radioactivité.
Ces moyens sont présentés ci après.
Approche historique- Petite histoire de l’atome :
- En 455 avant J.C., des savants grecs émettent l’hypothèse qu’il existe une
entité indestructible de la matière qu’ils baptisent « atomos » ( en grec : incassable )
- En 1896, le physicien français Henri Becquerel découvre que des plaques
photographiques qu’il avait laissé prés de sels d’Uranium dans une pièce à l’abri de
la lumière ont été impressionnées. Il détermine alors que les seuls responsables
possibles de l’impression ne peuvent être que les sels d’Uranium. Il vient de
découvrir la radioactivité naturelle.
- De 1911 à 1913, Rutherford et Bohr, deux chercheurs allemands, mettent au
point le modèle de l’atome : ils déterminent qu’il est constitué d’un noyau contenant
des protons chargés positivement, et qu’autour de ce noyau gravitent des électrons
chargés négativement. Enfin ils déterminent que l’atome est électriquement neutre.
- Petite histoire du nucléaire :
- En 1919, Ernest Rutherford réalise la première désintégration nucléaire : en
bombardant des atomes d’azote avec des rayons alpha, il parvient à les transformer
en un isotope de l’oxygène.
- En 1939, Fréderic Joliot-Curie et des chercheurs allemands découvrent la fission
du noyau de certains atomes dits fissiles, et découvrent qu’elle peut provoquer une
grande chaleur et une réaction en chaine.
La fusion nucléaireLa fusion nucléaire est le mode de libération de l’énergie nucléaire le
plus naturel car elle se produit dans le soleil depuis des milliards
d’années.
Elle consiste à faire fusionner deux noyaux atomiques pour former un
noyau plus lourd. Dans le Soleil, ce sont un noyau de detérium et un
noyau de tritium ( isotopes radioactifs de l'hydrogéne comportant
respectivement 1 et 2 neutrons ) qui fusionnent pour donner un
noyau d'helium 4 et un neutron.
Cette fusion nécessite une grande quantité de chaleur, mais la
chaleur produite est prés de mille fois plus intense.
Pour l’instant, on ne sait pas reproduire cette fusion sur Terre mais
des recherches sont en cours pour essayer d’obtenir de l’énergie à
partir de la fusion d’autres noyaux que ceux des isotopes de
l’hydrogène.
La fusion en images
La fission nucléaireLa fission est un autre moyen de libérer l’énergie nucléaire. On ne peut
l’utiliser qu’avec très peu d’atomes dont le noyau est dit fissile, comme
l’uranium 235 ou le plutonium 239. Il existe deux types de fission nucléaire, la
fission induite et la fission spontanée. La fission induite consiste en une
collision entre un neutron libre et le noyau d’un atome fissile. Cette collision
provoque la rupture en 2 du noyau de l’atome et la libération de 2 ou 3
neutrons. Cette rupture permet également de libérer une grande énergie qui,
comme pour la fusion, se manifeste sous forme de chaleur. Pour la fission
spontanée, c’est le même principe sauf que le noyau se scinde tout seul en
deux, sans collision avec un neutron.
Les neutrons libérés vont à leur tour entrer en collision avec d’autres noyaux
fissiles qui vont à leur tour se scinder en deux, libérer deux ou trois neutrons
chacun et libérer l’énergie qu’il contient : c’est la réaction en chaîne.
La fission en images
La radioactivitéLa radioactivité est un autre moyen de libérer l’énergie nucléaire. C’est une
propriété naturelle de certains atomes dits « lourds ». Les noyaux de ces
atomes contient beaucoup de particules qu’il ont du mal a retenir. Ils sont dits
instables. Pour se stabiliser, ces noyaux vont se désintégrer c’est à dire qu’il
vont emmètre des particules ou des rayons pour se transformer en des atomes
plus stables. C’est la radioactivité naturelle. Il existe 3 types de radioactivités
naturelles :
- La radioactivité alpha (α) : éjection d’un noyau d’hélium 4 par le noyau de
l’atome. C’est ce rayonnement qu’utilise l’atome d’uranium 235 pour se
stabiliser : il éjecte plusieurs noyau d’hélium 4 pour se transformer en un autre
atome, le radium 226, lui aussi radioactif, qui se transforme ensuite en radon
222, aussi radioactif qui se transforme lui-même par désintégrations
successives en plomb 206, non radioactif.
- La radioactivité béta ( β) : éjection par un noyau instable d’un seul neutron,
comme pour le thorium 234. Certains noyaux trop chargés en protons vont
emmètre un positron, une particule de même masse que l’électron mais chargé
positivement.
- La radioactivité gamma (γ) : émission simple d’un rayonnement, comme pour le
nickel 60.
La radioactivité ( suite )Certains noyaux ne peuvent se désintégrer que quelques minutes après leur
création, comme l’oxygène 15 ( 2,02 minutes, il se transforme ensuite en
oxygène 16, non radioactif), d’autres le peuvent pendant plusieurs milliards
d’années, comme l’uranium 238 ( 4.48 milliards d’années). Cette durée
s’appelle la période radioactive de l’atome.
On peut aussi créer des isotopes radioactifs à des atomes, qu’ils soient
radioactifs ou non. On peut ainsi créer de l’uranium 235 avec de l’uranium
238, mais aussi du nickel 60 gràce à du cobalt 60. On utilise pour cela une
machine appellée cyclotron qui transforme des protons en neutrons.
La radioactivité en images
Ci-dessous un
cyclotron
Les utilisations de l’énergie
nucléaireAprès avoir vu les moyens d’extraire l’énergie nucléaire, nous allons maintenant voir
les différents utilisations de cette énergie. Comme nous ne pouvons pas étudier toutes les utilisations, nous allons voir 4 exemples d’utilisation.
1er exemple : La production d’électricité dans une centrale à eau pressuirisée.
2ème exemple : La bombe
nucléaireL'arme nucléaire est une arme de destruction massive qui utilise l'énergie de
l'atome, dégagée soit par la fission de noyaux atomiques lourds (uranium,
plutonium dans le cas des bombes A), soit par la fusion de noyaux atomiques
légers (hydrogène dans le cas des bombes H).
Ses effets destructeurs, qui sont sans commune mesure avec ceux des « armes
conventionnelles », sont non seulement dus au souffle et à l'augmentation de la
température, comme pour les explosifs classiques, mais aussi aux
rayonnements. L'arme nucléaire a été utilisée opérationnellement deux fois
durant la Seconde Guerre mondiale, par les États-Unis contre le Japon par les
bombardements des villes d'Hiroshima et de Nagasaki , entraînant plusieurs
centaines de milliers de morts.
En raison de sa puissance, l'arme nucléaire n'est généralement pas considérée comme une arme
conventionnelle, mais comme une arme de dissuasion (politique de dissuasion nucléaire), visant à
empêcher toute attaque majeure, qui serait sanctionnée par l'utilisation de cette arme. Inversement,
l'impact psychologique potentiel d'une arme nucléaire en fait une cible de choix pour des
mouvements ou états terroristes. Depuis que plusieurs pays se sont dotés plus ou moins rapidement
de l'arme nucléaire, des accords internationaux visent à réduire l'arsenal nucléaire et à limiter la
prolifération des bombes.
2ème exemple : La bombe
nucléaire
3ème exemple : La médecine
nucléaireOn utilise la médecine nucléaire en imagerie médicale. Pour cette médecine, on
injecte à un patient un produit à base d’atomes qui emmettent une radioactivité
de type gamma, c’est-à-dire un rayonnement simple. On enregistre ensuite le
déplacement de ce produit dans le corps que l’on peut suivre grâce à son
rayonnement à l’aide d’un appareil de radiographie. En fonction du produit
utilisé, on peut surveiller le fonctionnement d’un organe précis, par exemple le
thallium pour le cœur.
3ème exemple : La médecine
nucléaireOn peut aussi utiliser la radioactivité pour le traitement de certaines
maladies, principalement le cancer. Dans un cyclotron, on produit des protons
et des neutrons qui sont ensuite bombardés à l’aide d’un appareil de
radiothérapie sur certaines cellules dont ils vont rompre certaines parties de
l’ADN de façon à empêcher leur multiplication.
Bilan du nucléaire aujourd’hui en
France.Les différentes utilisations du nucléaire aujourd’hui en France sont :
- la production d’électricité : 19 centrales en activité totalisant 58 réacteurs
d’une capacité totale de production de 549.1 TWh ( soit 78 % de l’énergie
consommée) dont :
- 34 réacteurs d’une puissance de 900 MWh
- 20 réacteurs d’une puissance de 1300 MWh
- 4 réacteurs d’une puissance de 1450 MWh
- la défense nationale : il y a en France 4 centres de recherches concernant
la bombe nucléaire
- militaire : l’armée française utilise l’énergie nucléaire pour faire
fonctionner les moteurs des navires à propulsion nucléaire et pour permettre une
autonomie de plusieurs mois en électricité et en carburant sans avoir à remonter à la
surface aux sous-marins.
- médicale : la France utilise beaucoup la radiographie à l’aide d’isotopes
radioactifs.
Bilan du nucléaire
aujourd’hui en France.Ci contre de gauche à
droite et de haut en bas
: la centrale nucléaire
de Civaux, un essai
nucléaire français à
Mururoa, le porte avions
nucléaire Charles de
Gaulle et le sous-marin
nucléaire SNLE « Le
Terrible »
Bilan du nucléaire aujourd’hui dans
le mondeAujourd’hui dans le monde on note de fortes disparités entre les pays quant à
l’utilisation de l’énergie nucléaire. Ceci s’explique par le manque de moyens des
pays en développement :
- En effet, pour que l’électricité produite à partir du nucléaire soit
compétitive, il est nécessaire de pouvoir produire de grandes quantité d’énergie
en même temps, ce qui coûte très cher.
- Pour les autres utilisations de l ’énergie nucléaire, les pays en
develloppement manquent aussi de moyens pour acheter du matériel, mais
manquent surtout de personnel compétent pour l’utiliser.
- En conclusion, nous dirons que seuls les pays dévellopés peuvent
bénificier de l’énergie nucléaire.
Bilan du nucléaire
aujourd’hui dans le mondeCi contre, en haut, le graphique montrant
la part du nucléaire dans la production
mondiale d’électricité, ci-dessous, à
gauche, la carte de répartition des
réacteurs nucléaires et, à droite, la carte
des pays possédant l’arme nucléaire.
Conclusion
L’énergie nucléaire comme
mode de production
d’électricité : une solution
d’avenir ?
Principaux avantages et inconvénients de l'énergie nucléaire
CARACTERISTIQUES AVANTAGES INCONVENIENTS COMMENTAIRES
Produit essentiellement de
l'électricité
Energie aux usages multiples
Se prête mal à l'utilisation directe dans les transports
Ne peut remplacer les hydrocarbures, au moins dans cette tranche d'utilisation, qui représente
20% des besoins en énergieCoût de l'énergie
produiteCompétivité Investissements élevés Fonctionnement en base
Disponibilité >80% Insensible aux aléas climatiques
Sensibilité du coût de production au prix de
l'uranium naturel<1%
Le prix de l'uranium peut augmenter sans effet notable sur le coût de
l'énergie produite.
Taille unitaire des installations de
production
Grandes puissances unitaires (1000 MW)
Réacteurs de petite puissance non
compétitif
Mal adaptée pour pays en voie de développement sauf pour les
grandes concentrations urbaines.
Diversité des approvisionnements
Ressources en uranium bien
diversifiée
Le prix de l'uranium est indépendant de celui du pétrole
Production de CO² 0 Aucun effet de serre
Production de déchets Très faible volumeRadioactivité élevée et
longue durée de vieHandicap principal actuel de
l'énergie nucléaireEffets d'irradiation
direct<1% à la radioactivité
naturelle
Risques d'accidents radioactifs
<1 par million d'années
Effet considérableRisque décroissant avec
l'amélioration de la sûretéSensibilité aux
attentats et à la malveillance
Comparables à
d'autres industries sensibles
Protection en constante amélioration
Et qu’en pense la
population ?
FIN !!
En espérant que ce diaporama vous à plu,
Nos sources : -CEA-SFEN-EDF
