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Vidéo de la leçon : Énergie nucléaire Chimie

Dans cette leçon, nous allons apprendre à expliquer comment l’énergie est produite par fusion et fission nucléaires dans le contexte des centrales nucléaires.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir les processus de fusion nucléaire et de fission nucléaire. Nous allons apprendre comment ces processus produisent de l’énergie et comment cette énergie est utilisée pour générer de l’électricité dans une centrale nucléaire. Commençons par explorer la fusion et la fission nucléaires. Pendant la fusion, deux ou plusieurs noyaux plus légers se combinent pour former un noyau plus lourd. Voici est un exemple de réaction de fusion. Au cours de cette réaction, quatre noyaux d’hydrogène légers se combinent pour former un noyau d’hélium plus lourd, ainsi que deux positrons. Cette réaction est la réaction nette d’une série de réactions plus compliquées qui se produisent sur le Soleil.

On peut dire que la fission est le contraire de la fusion. Pendant la fission, un noyau lourd est divisé en deux noyaux plus légers. Cette réaction est un exemple de réaction de fission. Dans cette réaction, un neutron entre en collision avec un atome d’uranium 235, le faisant se diviser en deux noyaux plus légers, de baryum et de krypton. On obtient également trois neutrons. Cette réaction est utilisée pour générer de l’électricité à l’intérieur des centrales nucléaires. Si vous avez du mal à vous souvenir laquelle est laquelle, rappelez-vous que lors de la fusion, les noyaux se combinent ou fusionnent. La fusion et la fission impliquent le changement des noyaux des atomes impliqués. Lors d’une fusion, les noyaux sont combinés, et Lors d’une fission, un noyau est divisé. Cela signifie que les deux réactions vont impliquer des changements dans l’énergie de liaison, qui est l’énergie nécessaire pour maintenir liés ensemble les protons et les neutrons dans le noyau.

Pour cette raison, la fusion et la fission libèrent d’énormes quantités d’énergie. La fusion et la fission dégagent des millions de fois plus d’énergie que la combustion de combustibles fossiles par kilogramme de matière initiale. Mais si nous voulons comparer les deux, les réactions de fusion libèrent environ quatre fois plus d’énergie que les réactions de fission par kilogramme de matière initiale. Les réactions de fusion ont également d’autres avantages par rapport aux réactions de fission. Le carburant pour les réactions de fusion, l’hydrogène gazeux, est beaucoup plus facile à obtenir que l’uranium 235. La fusion produit également beaucoup moins de déchets que la fission, les déchets produits étant beaucoup plus faciles à traiter. Une fois commencée, la réaction de fusion est également beaucoup plus facile à contrôler que la réaction de fission.

Donc, si la fusion nucléaire a tous ces avantages comme source d’énergie par rapport à la fission, pourquoi utilise-t-on la fission dans les centrales nucléaires ? Eh bien, aussi incroyable qu’une source d’énergie comme la fusion puisse être, ce n’est malheureusement pas une source de production d’énergie réalisable pour le moment. La raison en est que pendant la fusion, les noyaux chargés positivement doivent entrer en collision les uns avec les autres pour se combiner. Mais comme nous le savons, les objets chargés positivement ont tendance à se repousser. Donc, pour que ces noyaux chargés positivement se combinent, ils doivent se déplacer à des vitesses incroyablement élevées lorsqu’ils entrent en collision les uns avec les autres. Ces collisions à grande vitesse ne peuvent se produire que dans certaines conditions lorsque la température et la pression sont très élevées. C’est pourquoi la fusion peut se produire facilement sur le Soleil, où les températures peuvent atteindre des millions de degrés Celsius.

Donc, la fusion n’est pas réalisable pour le moment car il est incroyablement difficile de maintenir les conditions nécessaires à la fusion, même si un jour nous pourrons peut-être utiliser les réactions de fusion pour générer de l’électricité, car ce domaine de recherche est très actif. Les scientifiques étudient l’utilisation de plasmas et le ciblage de lasers pour maintenir la réaction de fusion. Cela ne veut pas dire que nous n’avons jamais créé la fusion à grande échelle. Cela s’est déjà produit dans le contexte d’une bombe thermonucléaire. Une bombe thermonucléaire utilise d’abord une réaction de fission pour créer les températures et les pressions nécessaires à la réaction de fusion. Puisque nous ne pouvons pas utiliser les réactions de fusion pour générer de l’électricité, voyons comment nous pouvons y parvenir avec des réactions de fission.

Regardons encore une fois la réaction utilisée pour générer de l’électricité dans les centrales nucléaires. Cette réaction commence lorsqu’un neutron entre en collision avec un atome d’uranium 235. Cela produit du baryum 141 et du krypton 92, ainsi que trois autres neutrons. Maintenant, chacun de ces neutrons pourrait entrer en collision avec un autre atome d’uranium 235, provoquant à nouveau sa division en baryum et en krypton et l’obtention de trois neutrons. Ces neutrons peuvent entrer en collision avec un autre atome d’uranium et ainsi de suite. Les réactions de fission sont ainsi capables de créer une réaction en chaîne auto-entretenue qui peut continuer tant qu’il y a des neutrons et des atomes d’uranium. Le maintien de cette réaction en chaîne constitue une grande partie du fonctionnement d’une centrale nucléaire.

S’il n’y a pas assez de collisions entre les neutrons et l’uranium, la réaction s’arrêtera et nous ne pourrons pas produire d’énergie. Mais si nous avons trop de collisions, nous courons le risque que la réaction devienne incontrôlée. Dans le contexte d’une centrale nucléaire, une réaction non contrôlée est une très mauvaise chose. Cela peut conduire à la fonte du cœur du réacteur. Mais une réaction incontrôlée pourrait être ce que nous recherchions si nous voulions construire une bombe. Nous pouvons contrôler la réaction en chaîne dans une centrale nucléaire grâce à la modération et à l’absorption des neutrons.

La modération des neutrons ralentit les neutrons pour assurer des collisions plus réussies entre les neutrons et les atomes d’uranium. L’absorption des neutrons fait le contraire. Les neutrons sont bloqués ou absorbés par certains matériaux, ce qui empêche les collisions entre les neutrons et l’uranium. En d’autres termes, la modération neutronique augmente le nombre de collisions et l’absorption neutronique diminue le nombre de collisions.

Voyons maintenant comment tout cela tient ensemble pour générer de l’électricité dans une centrale nucléaire. La production d’énergie dans une centrale nucléaire commence par les barres de combustible. Les barres de combustible sont des tubes métalliques remplis de combustible - l’uranium 235 - pour la réaction de fission. Les barres de combustible sont placées à l’intérieur d’une cuve de réaction, appelé le cœur du réacteur, ou simplement le réacteur. Le cœur du réacteur est rempli d’eau. L’eau agit à la fois comme liquide de refroidissement pour la réaction et comme modérateur de neutrons, ce qui ralentit les neutrons et assure des collisions plus efficaces.

A l’intérieur du cœur du réacteur il y a en dernier les barres de contrôle. Les barres de contrôle sont des absorbeurs de neutrons. Elles sont utilisées pour contrôler la réaction dans le cœur du réacteur. Si la réaction est trop lente, les barres de contrôle peuvent être retirées de sorte que moins de neutrons soient absorbés et qu’il y ait plus de collisions. Si la réaction se produit trop rapidement, on peut insérer davantage de barres de contrôle dans le cœur du réacteur de sorte que plus de neutrons soient absorbés et qu’il y ait moins de collisions.

La réaction de fission produit beaucoup d’énergie qui va réchauffer l’eau du cœur du réacteur. L’eau chaude est pompée dans une chaudière, où elle est transformée en vapeur, ou la vapeur peut être créée à l’intérieur du cœur du réacteur en fonction de la conception du réacteur. La vapeur est utilisée pour faire tourner une turbine, et la turbine en rotation est utilisée pour générer de l’électricité dans un générateur. De là, la vapeur est pompée vers une tour de refroidissement, où elle est refroidie afin qu’elle puisse être pompée dans le cœur du réacteur pour être réutilisée.

L’exploitation d’une centrale nucléaire génère des déchets. Les déchets sont, par exemple, les outils utilisés près du cœur du réacteur, les vêtements des travailleurs qui ont travaillé près du cœur et les barres de combustible usé. Une centrale nucléaire produisant suffisamment d’électricité pour alimenter les foyers d’environ un million de personnes produira environ trois mètres cubes de déchets par an. En comparaison, une centrale au charbon produisant suffisamment d’électricité pour alimenter les foyers d’environ un million de personnes produira 300 000 tonnes de cendres par an et 6 000 000 tonnes de dioxyde de carbone par an. La quantité de déchets produits par une centrale nucléaire est donc relativement faible. Mais les déchets nucléaires étant radioactifs, ils doivent être traités avec précaution.

La première chose que nous faisons pour traiter les déchets nucléaires est de les mettre dans des barils et de les stocker sous l’eau. Nous le faisons parce que les déchets nucléaires frais sont extrêmement chauds et très radioactifs. Une fois les déchets refroidis, ils peuvent être recyclés ou éliminés. Pendant le recyclage des déchets, l’uranium est extrait, mélangé à de l’uranium frais et utilisé pour créer de nouvelles barres de combustible. Mais tous les déchets ne peuvent pas être recyclés. Il y a toujours une petite quantité, environ quatre pour cent, qui doit être éliminée. Pour éliminer les déchets nucléaires, il faut les enterrer dans des barils dans des tombeaux profonds.

Nous avons à présent couvert tout ce que nous devons savoir sur l’énergie nucléaire. Exerçons donc notre savoir avec un exercice.

Quel est l’ordre de transfert de l’énergie électrique générée par la fission nucléaire des barres de combustible à travers une centrale électrique ? (A) Barres de combustible, générateur, réacteur, chaudière, turbines. (B) Barres de combustible, réacteur, chaudière, turbines, générateur. (C) Barres de combustible, chaudière, turbines, générateur, réacteur. (D) Barres de combustible, générateur, chaudière, turbines, réacteur. (E) Barres de combustible, générateur, turbines, réacteur, chaudière.

La fission nucléaire est un type de réaction nucléaire où le noyau se divise en deux ou plusieurs noyaux plus légers. La fission nucléaire est le type de réaction utilisé pour générer de l’énergie électrique à l’intérieur d’une centrale nucléaire. Cet exercice nous demande de déterminer l’ordre de transfert de l’énergie générée par la fission nucléaire à travers une centrale électrique, en d’autres termes les parties de la centrale électrique traversées par cette énergie avant de pouvoir être utilisées pour alimenter nos foyers et nos lieux de travail. On nous dit que ce processus commence avec les barres de combustible.

Les barres de combustible sont des tubes métalliques remplis de combustible, l’uranium 235. Les barres de combustible sont placées à l’intérieur du réacteur. Le réacteur est rempli d’eau. L’eau à l’intérieur du réacteur se réchauffera à cause de l’énergie dégagée pendant la réaction de fission. L’eau chaude est transformée en vapeur à l’intérieur de la chaudière. La vapeur est utilisée pour faire tourner une turbine, et la turbine en rotation génère de l’électricité dans un générateur. Ainsi, l’ordre de transfert d’énergie à travers la centrale nucléaire est constitué des barres de combustible, du réacteur, de la chaudière, de la turbine et enfin du générateur. Cela correspond au choix de réponse (B).

Terminons maintenant cette vidéo en résumant ce que nous avons appris. Au cours de la fusion nucléaire, deux ou plusieurs noyaux se combinent pour former un noyau plus lourd. Cette réaction en est un exemple, où quatre hydrogènes se combinent pour former de l’hélium et deux positrons. Pendant la fission nucléaire, un noyau lourd se divise pour former deux ou plusieurs noyaux plus légers. Un exemple de réaction de fission est cette réaction, où un neutron entre en collision avec un atome d’uranium-235 provoquant sa division en baryum-141 et krypton-92 et produisant également trois neutrons.

Les réactions de fission créent une réaction en chaîne, qui peut être contrôlée pour générer de l’électricité dans une centrale nucléaire. La réaction en chaîne est contrôlée par la modération des neutrons et l’absorption des neutrons. La modération des neutrons ralentit les neutrons afin d’assurer plus de collisions entre les neutrons et les atomes d’uranium. L’absorption des neutrons empêche les neutrons d’entrer en collision avec des atomes d’uranium afin de réduire le nombre de collisions.

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