l2 les détecteurs de lumière. - sitew.com
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DE3:
I. Introduction:
L’énergie consommée par les
appareils de nos foyers est sous
forme d’énergie électrique,
facilement transportable.
Aujourd’hui, nous obtenons cette
énergie électrique en grande partie
grâce à des centrales thermiques. Il
en existe deux types :
Les centrales thermiques à
combustible fossile
Les centrales nucléaires (utilisant
les ressources fissiles)
II. Fonctionnement d’une centrale thermique
à combustible fossile
1. Schéma de fonctionnement => lien pour une
animation disponible sur le site http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=2dT
-fsWUUkA
Pour la
vidéo
cliquer
a. La combustion
Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé (i.e subit une réaction de combustion)
dans les brûleurs d'une chaudière pouvant mesurer jusqu'à 90 m de hauteur.
Remarque :
Le charbon est d'abord réduit en poudre, le fioul est chauffé pour le rendre liquide puis
vaporisé en fines gouttelettes et le gaz est injecté directement sans traitement
préparatoire.
b. La production de vapeur
La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l'eau froide. En brûlant, le
combustible dégage de la chaleur qui va chauffer cette eau. L'eau se transforme en
vapeur, envoyée sous pression vers les turbines.
c. La production d'électricité
La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à
l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. Un
transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il
puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension.
d. Le recyclage
À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un
condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve.
L'eau ainsi obtenue est récupérée et re-circule dans la chaudière pour recommencer un
autre cycle.
2. Réaction de combustion
Exemple de combustion : les coefficients stœchiométriques sont à
compléter au besoin
Combustion du charbon :
…. C(s) + …. O2 (g) …. CO2 (g)
Combustion du méthane :
…. CH4 (g) + …. O2 (g) …. CO2 (g) + …. H2O(g)
A RETENIR :
Afin de libérer de l’énergie des ressources fossiles, on les brûle : ils
subissent une réaction de combustion.
La réaction de combustion est une réaction chimique d’oxydation très
exothermique ( = libérant de l’énergie thermique)
2 2
3. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE
Rappels : toutes ces conversions d’énergie s’accompagnent de
pertes sous forme d’énergie thermique.
3. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE
Rappels : toutes ces conversions d’énergie s’accompagnent de
pertes sous forme d’énergie thermique.
Energie
chimiqu
e
Energie
thermique
Energie
mécaniqu
e
Energie
électrique.
III. Fonctionnement d’une centrale nucléaire
1. Schéma de fonctionnement
L'énergie
nucléaire
cliquer
La
centrale
nucléaire
cliquer
a. Le circuit primaire
Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur.
Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320°C. L'eau
est maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir.
Ce circuit fermé est appelé circuit primaire.
b. Le circuit secondaire
Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par
l'intermédiaire d'un générateur de vapeur.
Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit
secondaire qui se transforme en vapeur.
c. La production d’électricité
La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à
l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse
être plus facilement transporté dans les lignes très haute tension
d. Le circuit de refroidissement
À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à
un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve.
Ce troisième circuit est appelé circuit de refroidissement.
En bord de rivière, l'eau de ce 3e circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans
de grandes tours, appelées aéroréfrigérants.
Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres.
2. Questions :
a) Quels sont les éléments communs aux deux types de centrale ?
b) Pourquoi n’utilise-t-on pas directement l’eau du circuit primaire pour
faire tourner la turbine d’une centrale nucléaire ?
c) De quoi est constituée la fumée blanche sortant des centrales
nucléaires ?
3. Réaction de fission
Dans une centrale nucléaire, des neutrons sont
envoyés à 20 km.s-1 sur des atomes d’uranium 235. En
percutant leur noyau, ils vont provoquer une fission
nucléaire.
Définition :
La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un
noyau lourd, dit fissile, est scindé en deux noyaux
plus légers.
Exemples de fission nucléaire :
235
U +
1
n
139
Xe + 94 S
r + 3
1
n 92 0 54 38 0
235
U +
1
n
93
Kr + 140
Ba + 3
1
n 92 0 36 56 0
235
U +
1
n
140
Xe + 94 S
r + 2
1
n 92 0 54 38 0
3. Questions :
a) Donner deux autres exemples d’isotopes de l’uranium 235.
b) Quelle est la différence fondamentale entre une réaction chimique et
une réaction nucléaire ?
4. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE
Rappels : toutes ces conversions d’énergie s’accompagnent de
pertes sous forme d’énergie thermique.
4. CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE
Rappels : toutes ces conversions d’énergie s’accompagnent de
pertes sous forme d’énergie thermique.
Energie
nucléair
e
Energie
thermique
Energie
mécaniqu
e
Energie
électrique.
IV. La fusion pour produire l’énergie de
demain ?
1. Réaction de fusion nucléaire
Définition :
La fusion nucléaire est la
formation d’un noyau
plus lourd à partir de
deux noyaux plus légers.
Exemples de réaction de fusion nucléaire :
2
H +
3
H
4
He +
1
n 1 1 2 0
2
H +
6 L
i
2 4
He 1 3 2
2. Intérêt
Document :(d’après P. Schwaederlé)
Les centrales à combustibles fossiles souffrent de trois gros
inconvénients :
- la dépendance énergétique des pays qui ne disposent pas de ces
ressources
- les réserves énergétiques dont l’exploitation n’excédera pas quelques
dizaines d’années.
- la pollution atmosphérique importante engendrée par leur
fonctionnement
Les centrales nucléaires ne font guère mieux (dépendance à l’uranium,
dangerosité des centrales, déchets nucléaires très dangereux…).
Pour pouvoir mesurer l’impact
réel des différentes technologies
produisant de l’énergie sur
l’environnement et sur le
dérèglement climatique, il faut
prendre en compte non
seulement la pollution générée
lors de leur fonctionnement,
mais aussi lors de l’extraction et
du transport des éventuels
combustibles et lors de la
construction de l’unité de
production (centrale, panneau
solaire, éolienne, barrage…).
On obtient alors les chiffres du
tableau ci-contre.
Technologie
grammes de
CO2 par kWh
produit
charbon 800 à 1000
gaz 450
photovoltaïque 50 à 150
nucléaire 20 à 60
hydraulique 5 à 40
éolien 2 à 20
biomasse (bois) 0 (1500 sans
replantation)
Cette méthode de production
d’énergie ne génère aucune
pollution et utilise une
ressource considérée comme
inépuisable sur Terre : le
deutérium (isotope de
l’hydrogène H)
En effet, l’eau des mers et des
océans contient en moyenne
33 g de deutérium par mètre
cube ce qui pourrait alimenter
en énergie notre planète
pendant quelques centaines de
millions d'années.
Energie libérée tep
1 tonne de pétrole
(combustion) 1,0
1 tonne de charbon
(combustion) 0,6
1 tonne de bois
(combustion) 0,3
1 tonne de gaz
(combustion) 0,9
1 tonne d’uranium
(fission)
15
000
1 tonne de deutérium
(fusion)
70
000
Questions
a) Entre les réactions de combustion et les réactions nucléaires,
lesquelles sont les plus exo énergétiques ? Justifier en calculant la
masse de pétrole à brûler pour obtenir autant d’énergie qu’un
kilogramme d’uranium.
b) Quelle est la ressource utilisée pour la réaction de fusion ? D’où est
elle extraite ?
c) En vous basant sur les réactions de fusion écrites au 1., justifier que
la fusion nucléaire du deutérium peut ne pas produire de déchets
nucléaires.
d) La fusion nucléaire du deutérium émet-elle des gaz polluants ?
e) Un mètre cube d’eau de mer contient en moyenne 33g de deutérium.
Quelle est la masse de pétrole à brûler pour obtenir autant d’énergie
que la fusion de ces 33g ?
f) Conclure sur les avantages de cette manière d’obtenir de l’énergie.
3. Utilisation de la fusion nucléaire
Le Soleil est une boule de gaz chauds
dont le cœur contient une grande
quantité d’hydrogène. La température
et la pression sont telles que cet
hydrogène va entrer en fusion
nucléaire et libérer de l’énergie. Cela
va faire chauffer l’étoile qui va alors
émettre de la lumière.
Lorsque le cœur ne contiendra plus
d’hydrogène (dans quelques milliards
d’années), d’autres réactions de fusion
nucléaires vont avoir lieu et libéreront
beaucoup plus d’énergie ! Le Soleil se
mettra alors à gonfler jusqu’à détruire
la planète Terre.
Réactions de
fusion ayant
lieu dans le
Soleil
Un projet scientifique : l’ITER
ITER (originellement en anglais :
International Thermonuclear
Experimental Reactor ou en français : «
réacteur thermonucléaire expérimental
international ») est un projet de machine
expérimentale de type tokamak
(=chambre de confinement magnétique)
visant à montrer la faisabilité d'un
réacteur générateur d'électricité utilisant
le principe de la fusion. Il est
actuellement en construction à proximité
de Cadarache (France). Ce projet est
destiné à vérifier la « faisabilité
scientifique et technique de la fusion
nucléaire comme nouvelle source
d’énergie».
