Fission et fusion nucléaires DESCRIPTIF DU SUJET Objectif ...

| [pic] |Fission et fusion nucléaires |
DESCRIPTIF DU SUJET |Objectif |Proposer un exercice évalué par compétences. |
|Niveau concerné |1ère S - thème 2 (« Comprendre »). |
|Compétences |Réactions de fission et de fusion. |
|exigibles au |Défaut de masse, énergie libérée. |
|B.O. |Réactions nucléaires et aspects énergétiques associés. |
|Compétences |Cette épreuve permet d'évaluer les compétences de la démarche |
|évaluées et |scientifique : |
|coefficients | |
|respectifs |S'approprier (APP) ; coefficient 2 |
| |Analyser (ANA) ; coefficient 2 |
| |Réaliser (REA) ; coefficient 2,5 |
| |Valider (VAL) ; coefficient 1,5 |
|Mise en ?uvre |Cet exercice est une évaluation sommative sur 8 points mais il |
| |peut être proposé en évaluation formative dans le cadre du |
| |cours sur la radioactivité par exemple. |
|Remarques |Il est possible d'évaluer en sus la compétence communiquer |
| |(COM) avec comme critères observables : présenter les résultats|
| |de manière adaptée (chiffres significatifs ...) ; rédiger les |
| |réponses en utilisant une langue correcte et un vocabulaire |
| |scientifique adapté. |
|Auteur |Hugues LIMOUSIN - Lycée Marceau - Chartres (28) |
ÉNONCÉ
Exercice : Les réactions nucléaires - la fission et la fusion
(Sur 8 pts) |Document 1 : Les réactions de fission et de fusion nucléaires |
| |
|La liaison des protons et des neutrons par des forces nucléaires est la source |
|de l'énergie nucléaire. Celle-ci peut être libérée par une réaction de fission |
|ou de fusion. |
| |
|Un atome peut fissionner soit de manière spontanée si son noyau est trop lourd, |
|soit parce qu'il a été heurté par un neutron. Dans un réacteur nucléaire, les |
|noyaux fissiles d'uranium subissent une réaction de fission provoquée par |
|bombardement de neutrons. Un des neutrons divise un noyau en deux autres noyaux,|
|ce qui entraîne l'émission d'un ou plusieurs neutrons et la libération d'une |
|très grande énergie sous forme de chaleur. Ces nouveaux neutrons vont provoquer |
|d'autres réactions de fission, il s'agit donc d'une réaction en chaîne. |
| |
|Les réactions en chaîne de fission de l'uranium sont utilisées dans les |
|centrales nucléaires en France. C'est une énergie très concentrée puisque 1 g de|
|matière fissile permet de produire 24 000 kWh, soit l'équivalent de 2 tonnes de |
|pétrole. |
| |
|La fusion de deux atomes légers apparaît lorsque les noyaux de ces deux atomes |
|sont suffisamment proches l'un de l'autre pour fusionner, c'est à dire pour |
|former un unique noyau. Comme les noyaux ont une charge électrique positive, ils|
|se repoussent mutuellement, ce qui les empêche de fusionner. Si ces atomes sont |
|dans un milieu très chaud, ils auront des vitesses suffisamment élevées pour |
|pouvoir fusionner avant d'être séparés par la répulsion électromagnétique. C'est|
|pourquoi on parle de fusion thermonucléaire. |
| |
|Au c?ur du Soleil, la température est suffisamment élevée pour que des réactions|
|de fusion nucléaire aient lieu : c'est ce qui fait briller le Soleil, car ces |
|réactions s'accompagnent de libération d'énergie. |
|Les physiciens s'attachent à contrôler la réaction de fusion qui pourrait |
|constituer dans le futur une nouvelle source d'énergie. |
|(d'après) http://www.mesure-radioactivite.fr/public/spip.php?rubrique73 |
1. Quel intérêt principal présentent les réacteurs à fission nucléaire ?
APP 2. Pourquoi le noyau d'uranium est-il fissile ? APP 3. Pourquoi peut-on qualifier la réaction de fission de réaction en
chaîne ? APP 4. Quelle difficulté les physiciens doivent-ils vaincre pour reproduire la
réaction de fusion dans un futur réacteur ? APP |Document 2 : Exemples de réaction de fusion |
| |
|Exemples |
|équation de la réaction de fission |
|énergie libérée Elib |
|[pic] |
| |
|1 |
|[pic] |
|2,5104.10-11 J |
|? |
| |
|2 |
|[pic] |
|2,6689.10-11 J |
|2,9691.10-28 kg |
| |
|3 |
|[pic] |
|2,7536.10-11 J |
|3,0670.10-28 kg |
| |
|4 |
|[pic] |
|2,9589.10-11 J |
|3,2928.10-28 kg |
| |
| |
5. Déterminer en unité de masse atomique (u) la valeur de la variation de
masse [pic] relative à la réaction 1. REA 6. En déduire la valeur de la variation de masse [pic] en kg pour la
réaction 1. Pourquoi parle-t-on de défaut de masse en désignant [pic] ?
ANA et REA 7. Utiliser un tableur-grapheur pour visualiser le graphe donnant la
valeur de l'énergie libérée Elib par la réaction en fonction de la
variation de masse [pic]. REA 8. Montrer que le graphe peut être modélisé par une fonction linéaire de
la forme [pic] ou c représente une constante dont on déterminera la
valeur. A quoi correspond cette valeur de c ? VAL 9. Calculer l'énergie susceptible d'être récupérée à partir d'un 1,0 kg
d'uranium (on supposera pour simplifier que seule se produit la
réaction 2). ANA et REA 10. Sachant qu'il faut une tonne de pétrole pour obtenir une énergie de 42
GJ, justifier l'intérêt de l'usage des réacteurs nucléaires pour
notre pays. Un calcul est attendu. ANA et REA Données : Masse d'un nucléon : mnucléon =1,0087 u
Masse du noyau d'uranium 235 = 234,9935 u
Masse du noyau de cérium 146 = 145,8869 u
Masse du noyau de sélénium 85 = 84,9036 u
1 u (unité de masse atomique) = 1,6749.10-27 kg REPÈRES POUR L'ÉVALUATION
Correction : 1. Les réactions de fission produisent de très grande quantité d'énergie. 2. Le noyau d'uranium est fissile car c'est un noyau lourd, donc instable. 3. Les neutrons produits par la réaction vont pouvoir à leur tour servir de
projectile et casser d'autres noyaux d'uranium, d'où l'expression
« réaction en chaîne ». 4. La principale difficulté est d'obtenir une température très élevée,
proche de celle du Soleil. 5. [pic] = m([pic]) + m([pic]) + 5.m([pic]) - m([pic]) - m([pic]) = -
0,1682 u. 6. [pic] = - 0,1682 x 1,6749.10-27 = - 2,817.10-28 kg. On parle de défaut de masse car [pic] < 0. La réaction de fission
s'accompagne d'une perte de masse.
7. Graphe :
[pic] 8. L'énergie est proportionnelle au défaut de masse. On peut donc écrire
que Elib = a ×[pic].
Le coefficient directeur a = 8,97.1016 = c² donc c = [pic] = 2,995.108.
La valeur de c correspond à la célérité de la lumière dans le vide (c =
2,99.108 m.s-1). 9. Pour un noyau d'uranium utilisé, on récupère une énergie de 2,6689.10-11
J donc