Réactions de fusion et de fission : énergie associée




Stage : "Développer les compétences de la 5e à la Terminale" Session 2014-2015

Documents produits pendant le stage, les 06 et 07 novembre 2014 à Flers
Adapté par Christian AYMA et Vanessa YEQUEL d’après un document de Stéphanie CHALOPIN

Remarque : ces documents n’ont pas été soumis à l’expérimentation en classe.

Thème : Différencier ses activités

Réactions de fusion et de fission et énergie associée

Lycée
Niveau : 1ère S Réactions de fusion et de fission et énergie associée
Support Papier et site internet (pour niveau 3)
Vocabulaire Fusion, fission, énergie libérée
Techniques expérimentales aucune
Scénario de séance
Préciser les interactions
(Quand ? Avec qui ?
 ? Posture de l’enseignant…)
Séance de 2 h en demi-groupe, après la radioactivité.
Présentation du support papier : problématique et doc.
Choix du niveau par les élèves en binôme.
Travail écrit avec aide du prof (aide ponctuelle, organisation des réponses)
Restitution élève
Support (audacity, dictaphone…)
Réaliser une publicité (affiche, audio, vidéo) vantant les mérites d’ITER.
Évaluation / critères de réussite pour la compétence « communiquer » Clarté des arguments,
utilisation du vocabulaire

Objectifs :

  • Etudier les réactions de fusion et de fission nucléaires.
  • Utiliser les lois de conservation pour écrire l’équation d’une réaction nucléaire.
  • Utiliser la relation
  • Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires.

Tache finale :

Réaliser une publicité (affiche, audio, vidéo) vantant les avantages d’ITER

Documents :

Doc.1

“La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, exprime l’équivalence entre la masse et l’énergie.”

Par des techniques très précises, il est possible de mesurer la masse d’un noyau, celle d’un proton isolé ou d’un neutron isolé. La masse du noyau est inférieure à la somme des masses de chacun de ses nucléons. Qu’est devenue la masse manquante ? En fait, cette masse ne disparaît pas mais se transforme en énergie.

La célèbre formule d’Einstein, E = mc2, nous permet de calculer celle-ci. En effet, cette formule associe à un corps de masse m, une énergie E qui est égale à sa masse multipliée par une constante c 2. Cette dernière est le carré de la vitesse c de la lumière dans le vide égale à 3,00 x108 m/s.

D’après le site du CEA

Doc .2

Doc.3 Quelques masses atomiques (en unité de masse atomique u)

Noyau ou particuleNeutronDeutériumTritiumHéliumUraniumNoyau (formé par fission de l’uranium)Xenon
symbole
Masse en u 1,00866 2,01355 3,01550 4,00150 234,9942 93,8945 138,8892

L’unité de masse atomique (symbole u) est une unité de mesure standard, utilisée pour mesurer la masse des atomes et des molécules
Rappel :  ;

A l’aide des documents, répondre aux questions :

A la fusion nucléaire
- 1

  • En utilisant les représentations schématisées du proton (rouge) et du neutron (bleu), schématiser la fusion des noyaux de deutérium et tritium.
  • Qu’est qui se conserve au cours de cette transformation nucléaire ?

- 2

  • Calculer la masse en unité de masse atomique des « produits » de la fusion.
  • Calculer la masse en unité de masse atomique des « réactifs » de la fusion.

- 3 Calculer la perte de masse Δm en unité atomique (u) puis en kilogramme (kg) lors de la fusion.
- 4 Comment se transforme la matière disparue lors de la fusion ?
- 5 Donner la relation permettant de calculer l’énergie libérée Elibérée lors de la fusion en précisant les unités de chaque grandeur.
- 6 Calculer l’énergie libérée par la fusion des noyaux de deutérium et tritium en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).

B la fission nucléaire
On peut représenter la fission de l’uranium 235 par une équation :

- 7 En utilisant les lois de conservation mises en évidence à la question 1.b., identifier le second noyau formé
- 8
- 9 A partir de l’équivalence masse-énergie, déterminer l’énergie libérée lors de la fission en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).

- 10 De la fission de l’uranium 235 ou de la fusion des noyaux de tritium et deutérium, quelle réaction nucléaire libère le plus d’énergie ? Justifier. (piste de réflexion : comparer des valeurs comparables : l’énergie libérée par nucléon)
Effectuer des recherches et répondre aux questions suivantes :

Quelques pistes :

http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lesdosesdactivite.htm

http://www.science.gouv.fr/fr/dossiers/bdd/res/2803/la-fusion-controlee-le-reve-du-nucleaire-propre-/

La fusion nucléaire sera-t-elle un jour exploitable ? Pour la Science, N°392, juin 2010

Energies à volonté ! Pour la Science, N°69, octobre-décembre 2010


- 11 Donner deux arguments expliquant qu’une alternative à la réaction de fission de l’uranium 235 pour la production d’électricité dans les centrales nucléaires est recherchée.
- 12 Donner au moins un avantage et un inconvénient de l’utilisation de la fusion nucléaire.
Pour s’informer sur les centrales nucléaires actuelles, visualiser les animations « la fabrication du combustible » et « le réacteur à eau pressurisée » du site http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/la_radioactivite

Niveau 1

A la fusion nucléaire
- 1

  • En utilisant les représentations schématisées du proton (rouge) et du neutron (bleu), schématiser la fusion des noyaux de deutérium et tritium.
  • Qu’est qui se conserve au cours de cette transformation nucléaire ?
    - 2 on calcule la perte de masse
  • Calculer la masse en unité de masse atomique des « produits » de la fusion.
  • Calculer la masse en unité de masse atomique des « réactifs » de la fusion.
  • Calculer la perte de masse en unité atomique (u) puis en kilogramme (kg) lors de la fusion.
    - 3 Comment se transforme la matière disparue lors de la fusion ?
    - 4 Donner la relation permettant de calculer l’énergie libérée Elibérée lors de la fusion en précisant les unités de chaque grandeur.
    - 5 Calculer l’énergie libérée par la fusion des noyaux de deutérium et tritium en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).
    - 6 Montrer que le nombre de nucléons engagés dans la réaction est égal à 5.
    - 7 Calculer l’énergie libérée par nucléon engagé dans la réaction.

B la fission nucléaire
On peut représenter la fission de l’uranium 235 par une équation :

- 8 En utilisant les lois de conservation mises en évidence à la question 1.b., identifier le second noyau formé
- 9
- 10 A partir de l’équivalence masse-énergie, déterminer l’énergie libérée lors de la fission en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).
- 11 Montrer que le nombre de nucléons engagés dans la réaction est égal à 236.
- 12 Calculer l’énergie libérée par nucléon engagé dans la réaction.

C Conclusion
En comparant les énergies libérées par nucléon, dans les deux cas précédents, quelle réaction nucléaire libère le plus d’énergie ?

Niveau 2

A la fusion nucléaire
- 1

  • Ecrire la réaction de fusion des noyaux de deutérium et tritium.
  • Expliciter les lois de conservation.
    - 2 Perte de masse
    • Calculer la masse en unité de masse atomique des « produits » de la fusion.
    • Calculer la masse en unité de masse atomique des « réactifs » de la fusion.
    • Calculer la perte de masse Δm en unité atomique (u) puis en kilogramme (kg) lors de la fusion.
      -&nb3p;1 Comment se transforme la matière disparue lors de la fusion ?
      - 4 Donner la relation permettant de calculer l’énergie libérée Elibérée lors de la fusion en précisant les unités de chaque grandeur.
      - 5 Calculer l’énergie libérée par la fusion des noyaux de deutérium et tritium en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).

B la fission nucléaire
- 6 Déterminer l’énergie libérée lors de la fission en joules (J) puis en mégaélectronvolts (MeV).
- 7 De la fission de l’uranium 235 ou de la fusion des noyaux de tritium et deutérium, quelle réaction nucléaire libère le plus d’énergie ? Justifier. (piste de réflexion : comparer des valeurs comparables : l’énergie libérée par nucléon)

Niveau 3

Le projet ITER, pourquoi ?

De la fission de l’uranium 235 ou de la fusion des noyaux de tritium et deutérium, quelle solution vous semble la plus intéressante tant au niveau énergétique qu’au niveau environnemental ? Justifier. (piste de réflexion : comparer des valeurs comparables : l’énergie libérée par nucléon)

Documents joints