Act Doc D’où provient l’énergie nucléaire ?

Act Doc   D’où provient l’énergie nucléaire ?

1-La masse se conserve-t-elle ?

            Pendant des siècles, les alchimistes, adeptes d’une « méta­physique expérimentale » et «philosophes par le moyen du feu », tentèrent vainement de transformer les métaux infé­rieurs, comme le plomb, en argent ou en or... Mais la nais­sance de la science moderne consacra le triomphe de la chi­mie. Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794), célèbre pour ses travaux sur la composition de l’air, énonça le premier, dans son Traité élémentaire de Chymie (1789), la loi de conservation de la masse lors d’une transformation chi­mique « Rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de ma­tière avant et après l’opération... » Les progrès réalisés au XIX siècle par la théorie atomique, sous l’impulsion de John Dalton (1766-1844), puis d’Amedeo Avogadro (1776-1856), permirent à cette loi de prendre une forme plus générale. Dans une transformation chimique, en effet, les diverses formes d’un élément chimique se transforment les unes dans les autres sans la moindre perte il y a donc conser­vation des éléments chimiques.

Le rêve doré des alchimistes était passé... pour immédiate­ment ressurgir ailleurs ! La découverte de la radioactivité naturelle par Henri Becquerel en 1896 montra que, sponta­nément, certains noyaux atomiques pouvaient se désinté­grer en d’autres noyaux atomiques, et donc, se transmuter. Ce qui était impossible avec une transformation chimique l’était avec une transformation nucléaire !

Pour le comprendre, il suffit pourtant de lever la tète et de regarder les étoiles... Notre Soleil, par exemple, est un im­mense réacteur nucléaire. Dans son coeur, où règne une température de plusieurs millions de degrés, les noyaux d’hydrogène, qui constituent le « combustible », fusionnent pour former des noyaux d’hélium selon l’équation

4  H ->   He + 2 e.

L’énergie libérée est émise dans toutes les directions de l’espace sous forme de rayonnement. Mais la lumière que nous recevons sur Terre a un coût pour fournir cette éner­gie, le Soleil perd environ 4 millions de tonnes de matière chaque seconde !

Questions :

1. Que signifie l’expression « quantité de matière » pour Lavoisier ?

2. Quelles lois de conservation l’équation de fusion de l’hydrogène vérifie-t-elle ? Quelle loi de conservation ne vérifie-t-elle pas ? Pourquoi ?

3. La masse d’un électron (ou d’un positon) est considérée comme négligeable devant les masses d’un noyau d’hydrogène et d’un noyau d’hélium. Comparer les masses totales des espèces présentes dans chaque membre de l’équation. La masse s’est-elle conservée pendant cette réaction nucléaire ?

Données m( H) = 1,6725.10^-27 kg ; m( He) = 6,6447.10^-27 kg ; m_e = 9,1.10^-31 kg.

4. a) La réaction de fusion de l’hydrogène se produit spontanément dans le cœur du Soleil. Que peut-on en déduire quant à la stabilité des noyaux d’hydrogène et des noyaux d’hélium ?

b) Préciser le signe de la variation d’énergie du système au cours de la réaction. Sous quelle forme l’énergie est-elle cédée au milieu extérieur ?

5. a) En 1905, Einstein a défini l’énergie de masse d’une particule de masse m au repos par la relation E=mc², où c = 3,0.10⁸ m/s est la célérité de la lumière dans le vide. Justifier les réponses données à la question précédente.

b) Proposer une explication au fait que la masse du Soleil diminue lorsque celui-ci rayonne. La valeur don­née dans te texte paraît-elle étonnante ? Comparer à la masse du Soleil 1,9891×10³⁰ kg et conclure.

2- Des réacteurs nucléaires préhistoriques :

            En 1972, dans l‘usine d’enrichissement de Pierrelatte, en France, l’analyse isotopique d’un minerai d’uranium en pro­venance du gisement d’Oklo, au Gabon, révèle une teneur inhabituelle de l‘isotope 235 de l‘uranium d’ordinaire constante et égale à 0,7202%, dans un minerai naturel, cette teneur exceptionnelle est inférieure à 0,7171 %

Comment expliquer cette anomalie ? Remontons le temps... Il y a deux milliards d’années, une grande quantité d’atomes d’uranium fut piégée dans une faille de grès, entourée de silice gorgée d’eau. L’isotope 235 subit une transformation spontanée, mais une autre réaction produisit une dispari­tion beaucoup plus rapide des noyaux. Écoutons le récit étonnant d’un atome d’uranium 235, rescapé d’un effroyable
carnage collectif…

«Si cela vous intéresse, vous pouvez aller voir les traces de cette lutte fratricide sur le site minier d’Oklo, au Gabon. [...] Il s’agissait d’une sorte de suicide collectif dans lequel l‘eau jouait en toute candeur un rôle majeur. Cela commença par la fission de l‘un des nôtres, accompagnée comme d’habitude par l‘émission de deux ou trois neutrons. Mais bizarrement, ces neutrons, au lieu d’aller comme de coutume se perdre au loin, se cognèrent violemment contre les atomes d’hydrogè­ne et d’oxygène constituant l‘eau qui nous entourait. Ils s’en trouvèrent copieusement ralentis. Leur vitesse fut vite divisée par dix mille. Méconnaissables, ils se traînaient à quelques kilomètres par seconde, si lents qu’il nous était devenu très facile de les capturer. Nous comprimes vite que c’était justement notre appétit pour les neutrons lents qui nous me­nait illico vers la fission immédiate. En effet, la pichenette énergétique qu’ils nous donnaient au moment où nous les cap­turions nous faisait d’abord osciller, puis nous déformait suffisamment pour que nous n’ayons plus d’autre choix que de fissionner. En somme, en les absorbant, nous devenions des uranium 236 débordant d’une énergie nouvelle que nous ne pouvions évacuer qu’en nous coupant en deux.

Cette autodestruction collective dura pendant quelques centaines de milliers d’années. Les rôles des différents protago­nistes étaient bien définis. Les noyaux d’uranium qui fissionnaient libéraient des neutrons qui pouvaient provoquer la fis­sion d’autres noyaux, et ainsi propager une réaction en chaîne. L’eau, quant à elle, se contentait de freiner les neutrons issus de ces fissions. Les noyaux jaillis de la fission, très rapides, chauffaient l‘eau environnante. Celle-ci, rendue chimi­quement agressive, érodait les roches, ce qui permettait aux grains d’oxyde d’uranium de mieux se dégager et au flux d’eau de se renouveler. L’histoire aurait pu durer encore plus longtemps, mais elle se termina avant La disparition des acteurs, par l‘effondrement du théâtre des opérations l‘eau avait si bien travaillé à dissoudre localement la roche que le plafond de la cavité formée s’écroula. L’eau libérée fut chassée des lieux, de sorte que les neutrons, désormais privés de ralentis­seur, partirent au loin. Ainsi s’éteignit le feu nucléaire naturel que nous avions allumé tout seuls comme des grands, bien avant votre apparition sur Terre. »

Extrait de Moi, U235, atome radioactif, Bernard Bonin, Étienne Klein & Jean-Marc Cavedon

Questions :

1.   Par capture d’un neutron, un noyau d’uranium 235 se scinde en deux noyaux plus légers. Quel est le nombre et la nature des particules simultanément émises ?

2.  Quel est le rôle de l’eau ? Sa présence est-elle indispensable ? Pourquoi ?

3.  Quel type de neutrons provoquent une réaction nucléaire ?

4.  Que deviennent les neutrons émis par la fission d’un noyau d’uranium ?

5.  Comment nomme-t-on ce type de réaction ? Quelle est sa particularité dans le cas de l’uranium 235 ?

6.  Sous quelle forme la réaction de fission libère-t-elle de l’énergie ?

7.  Pourquoi l’atome d’uranium 235 parle-t-il de « lutte fratricide » et de « suicide collectif ».

8.  Ce réacteur nucléaire fonctionne-t-il encore ? Le minerai est-il épuisé ?