Td corrigé activ doc ITER - Sciences physiques et chimiques Académie de ... pdf

activ doc ITER - Sciences physiques et chimiques Académie de ...

Les négociations concernant le projet ITER ont enfin abouti : le réacteur ... b) Calculer la masse d'un noyau de deutérium et de tritium en kg, puis en déduire la  ...




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Niveau :
Première S Thème :
ComprendreSous-thème :
Cohésion et transformation de la matièreLE REACTEUR NUCLEAIRE ITER 
Notions et Contenus :

Réactions nucléaires et aspects énergétiques associésDurée de la séquence : 5 h
Place de la séance dans la séquence
Séance 1 : 2 h cours
Séance 2 : 1,5 h activité documentaire sur ITER et évaluation formative
Séance 3 : 45 min remédiation
Séance 4 : 45 min évaluation sommative
Prérequis Noyau (protons et neutrons), Z, et A .
Isotopes .
L’interaction gravitationnelle entre deux corps.

Objectifs 
Objectifs
spécifiques



Objectifs transversaux
Utiliser ses connaissances sur les réactions nucléaires pour répondre à des questions scientifiques et mener à bien des calculs d’énergie.

Recueillir et exploiter des informations sur les réactions nucléaires dans le domaine astronomique et le domaine énergétique.
Se servir d’outils mathématiques (relation de proportionnalité, conversion d’unités, utilisation une relation mathématique).Compétences
attendues

Connaissances






Capacités
Disciplinaires



Capacités
et transversales
Cohésion du noyau, stabilité.
Réactions de fission et de fusion.
Lois de conservation dans les réactions nucléaires.
Défaut de masse, énergie libérée.
Réactions nucléaires et aspects énergétiques associés.
Ordre de grandeur des énergies mises en jeu.

Raisonner : résoudre un problème en choisissant et en utilisant ses connaissances.
Réaliser : faire et présenter un calcul.

S’informer : extraire des informations utiles d’un document et les réinvestir dans son cours de sciences physiques.
S’informer : acquérir de nouvelles connaissances sur les enjeux énergétiques de demain.
Communiquer : présenter la démarche suivie à l’aide d’un langage adapté.

Obstacles prévisibles

Calcul des énergies, utilisation des bonnes unités ;
Nombre de chiffres significatifs adaptés. 
Réinvestissement
Réinvestir la capacité « résoudre un problème en choisissant et en utilisant ses connaissances » sur d’autres projets. LE REACTEUR NUCLEAIRE ITER
On se propose de commenter un extrait d’article de Geoff Brumfiel traduit par Gilles Berton, présenté dans la revue La Recherche N° 396 « janvier 2006 ».
 
Les négociations concernant le projet ITER ont enfin abouti : le réacteur thermonucléaire sera construit à Cadarache, dans le sud-est de la France…Une majorité de physicien affichent leur optimisme, mais la route sera longue avant que le réacteur ne voie le jour […] ITER est conçu pour chauffer de l’hydrogène à plus de cent millions de degrés et d’extraire ensuite de l’énergie de ce plasma chaud en le stabilisant pendant plusieurs minutes…

La fusion est une idée simple, mais extrêmement difficile à mettre en pratique. À la différence de la fission, qui génère de l’énergie grâce à la désintégration de noyaux lourds, la fusion a lieu lorsque des noyaux légers d’hydrogène entrent en collision et s’assemblent pour former un noyau plus lourd, celui d’un nouvel élément : l’hélium.
Ces collisions sont difficiles à provoquer parce que les noyaux, qui portent une charge électrique positive, ont tendance à se repousser par répulsion électrostatique. Elles ne se produisent que si les noyaux se déplacent à grande vitesse, et s’ils sont proches les uns des autres. Bref pour obtenir de l’énergie de fusion, il faut impérativement un plasma de grande densité, chauffé à très haute température.


Reproduire la fusion naturelle : la source d’énergie de fusion naturelle la plus proche est le Soleil. En son cœur, la gravité rapproche les noyaux d’hydrogène chargés positivement jusqu’à l’ensemble atteigne une température et une densité suffisantes pour fusionner et générer de l’hélium. L’objectif ambitieux d’ITER est de chauffer son combustible (un mélange de deutérium et de tritium, deux isotopes de l’hydrogène) à une température supérieure à 100 millions de degrés durant sept à quinze minutes afin de produire quelques 500 mégawatts d’énergie. »


1ère PARTIE : LA FUSION THERMONUCLEAIRE 
1°) D’après le texte, donner une définition des deux mots fission et fusion.
2°) Pourquoi le deutérium et le tritium sont-ils des isotopes ? Donner la représentation symbolique de leur noyau.
3°) Ecrire l’équation de la réaction de fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium. Enoncer les lois de conservation utilisées.
4°) Faire une recherche documentaire sur la définition d’un plasma.
5°) Dans quels objets du système solaire, cette réaction de fusion se produit-elle aussi ? La température de ce plasma devra être de l’ordre de 100 millions de degrés. Pourquoi une température si élevée est-elle nécessaire ?
2ème PARTIE : L’ENERGIE LIBEREE PAR LA REACTION DE FUSION
1°) Calculer, en unité de masse atomique et en kg, le défaut de masse au cours de la réaction de fusion d’un noyau de deutérium et d’un noyau de tritium.
2°) Déterminer l’énergie libérée par cette réaction de fusion.
3°) Quel abus de langage commet l’auteur en parlant de 500 MW d’énergie dans le texte ? En réalité, l’énergie produite lors de cette fusion serait de 500 MJ pour une seconde de réaction et elle consommerait environ 1,5 mg de mélange deutérium-tritium par seconde. Vérifier cette valeur en répondant aux questions suivantes :
Déterminer le nombre de noyaux de deutérium et de tritium qui vont fournir 500 MJ par seconde.
Calculer la masse d’un noyau de deutérium et de tritium en kg, puis en déduire la masse de deutérium et de tritium nécessaire pour fournir cette énergie. Comparer le résultat avec la valeur citée ci-dessus.
4°) Il est prévu qu’ITER produise une énergie de 430 TJ.kg-1. Sachant que le pouvoir calorifique du pétrole est de 42 MJ.kg-1, comparer les ordres de grandeur de ces deux énergies.
DONNEES :
deutériumtritiumhéliumneutronMasse du noyau en u2,013553,015504,001501,00866
1u =1,66054x10-27 kg
Célérité de la lumière dans le vide : c = 2,998x108 m.s-1



Réponses aux questions
1ère PARTIE : LA FUSION THERMONUCLEAIRE 
1°) La fission est la désintégration d’un noyau lourd en au moins deux noyaux plus légers.
La fusion a lieu lorsque deux noyaux légers s’assemblent au cours d’un choc pour former un noyau plus lourd.
2°) Le deutérium et le tritium sont des isotopes car ils ont le même nombre de charge mais un nombre de masse différent.
Noyau de deutérium  EMBED Equation.3  Noyau de tritium  EMBED Equation.3 
3°)  EMBED Equation.3 +  EMBED Equation.3 (  EMBED Equation.3  +  EMBED Equation.3 
Une réaction nucléaire obéît à la loi de conservation de la charge électrique et à la loi de conservation du nombre de nucléons.
4°) Définition du plasma : Le plasma, tout comme le solide, le liquide ou le gaz est un état de la matière. Il n’est visible sur Terre qu’à très haute température, quand l’énergie est telle qu’elle réussit à arracher des électrons aux atomes. On observe alors une sorte de soupe d’électrons extrêmement actifs dans laquelle baignent des noyaux d’atomes.
5°) On retrouve cette réaction de fusion au sein du Soleil et des étoiles.
Les noyaux de deutérium et de tritium sont respectivement chargés deux et trois fois positivement. Ils ont donc tendance à se repousser par répulsion électrostatique. A une telle température cependant, l’agitation thermique est si importante que ces deux noyaux peuvent entrer en collision pour fusionner.
2ème PARTIE : L’ENERGIE DE CETTE REACTION 
1°) (m = m( EMBED Equation.3 ) + m( EMBED Equation.3 ) – m( EMBED Equation.3 ) – m( EMBED Equation.3 ) = - 0,01889 u = - 3,13676 x 10-29 kg
2°) Elibérée =  EMBED Equation.3  x c2 = 3,13676 x 10-29 x (2,998x108)2 = 2,819x10-12 J
3°) Le Watt (W) est l’unité de la puissance et non de l’énergie.
N =  EMBED Equation.3 = 1,77x1020 noyaux
m( EMBED Equation.3 ) = 2,01355x1,66054x10-27 = 3,34358x10-27 kg
m( EMBED Equation.3 ) =3,01550x1,66054x10-27 = 5,00736x10-27 kg
mdeutérium-tritium = N x (m( EMBED Equation.3 ) + m( EMBED Equation.3 ) )
mdeutérium-tritium = 1,77x1020 x (3,34358x10-27 + 5,00736x10-27 ) = 1,48x10-6 kg ( 1,5 mg
On retrouve bien la valeur citée.
4°) Le pouvoir calorifique d’ITER est de 430 TJ.kg-1 = 4,3 x1014 MJ.kg-1 (ordre de grandeur 1014 MJ.kg-1).
Le pouvoir calorifique du pétrole est de 42 MJ.kg-1 = 4,2x107 MJ.kg-1 (ordre de grandeur 107 MJ.kg-1).

Compétence acquise : (Compétence non acquise : (Compétence non travaillée : ØAuto
évaluationévaluationGrille d'évaluation des connaissances (savoirs)SAVOIR  Ï% Restituer des connaissancesDéfinition  VocabulaireRelation  Loi  Grille d'évaluation des capacités (savoir-faire)S'INFORMERÏ% Décrire  Ï% Rechercher des informations  Ï% Extraire des informations utiles  Ï% Organiser l'information  Ï% Exploiter l'information   REALISERÏ% Appliquer une consigneÏ% Effectuer un protocole Ï% Utiliser des appareils de mesure, de la verrerieÏ% Maîtriser des techniques expérimentalesÏ% Faire, présenter un calcul  Ï% Schématiser, légender  Ï% Exploiter un schéma   RAISONNERÏ% Choisir, repérer, formuler un problèmeÏ% Résoudre un problèmejustifier, proposer une démarche  formuler une hypothèse  identifier des paramètres pertinents, mettre .;e‚ƒ„›Ñåè  & V ´ µ À $
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