Ce cours vous introduit à la physique subatomique, c'est à dire à la physique du noyau et à celle des particules élémentaires. Plus spécifiquement les questions adressées sont les suivantes : - Quels sont les concepts de la physique des particules et comment sont-ils implémentés? - Quelles sont les propriétés du noyau atomique et comment peut on les utiliser? - Comment accélérer et détecter des particules et mesurer leurs propriétés? - Qu’est-ce qu’on apprend à partir des réactions de particules à haute énergie et leurs désintégrations? - Comment fonctionnent les interactions électromagnétiques et comment peut-on les mettre à contribution? - Comment fonctionnent les interactions fortes et pourquoi sont-elles difficiles à comprendre? - Comment fonctionnent les interactions faibles et pourquoi sont-elles spéciales? - Quelle est la masse des objets au niveau subatomique, et comment y intervient le Higgs? - Que peut-on apprendre de la physique des particules concernant l’astrophysique et l’Univers tout entier? Le cours est structuré en sept modules. Suivant le premier module qui introduit notre sujet, les modules 2 (Physique nucléaire) et 3 (Accélérateurs et détecteurs) dépendent peu du reste du cours et peuvent être étudiés séparément. Les modules 4 à 7 approfondissent les notions de la matière et des forces élémentaires.
2.9 Energie nucléaire
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En provenance du cours de University of Geneva
Physique des particules - une introduction
54 notes
À partir de la leçon
Physique nucléaire
Pendant ce deuxième module on parle de la physique du noyau atomique et de ses applications. On visitera les travaux pratiques nucléaire de l’UniGe pour voir les expériences sur la radioactivité. A la fin du module, on visitera un réacteur expérimental à fusion et une centrale nucléaire.
Rencontrer les enseignants
Martin PohlProfesseur ordinaire
Département de physique nucléaire et corpusculaire
Mercedes PanicciaCollaboratrice scientifique
Département de Physique Nucléaire et Corpusculaire
[MUSIQUE] Dans le
deuxième module de notre cours d'introduction à la
physique des particules, on parle des propriétés et la
physique du noyau atomique.
Et dans cette vidéo, on va regarder un peu la transformation d'une partie de
l'énergie de liaison d'un noyau en chaleur par fission.
À la fin de cette vidéo, vous saurez comment les
centrales nucléaires appliquent la fission pour produire de l'énergie électrique.
Vous vous rappelez de la dernière vidéo que l'uranium 235 est
facile à fissionner et l'uranium 238 ne l'est pas.
Comme le temps de vie de l'uranium 235 est à peu près
dix fois plus court que celui du 238,
il est relativement rare dans l'uranium naturel,
il représente moins que 1% de l'uranium naturel.
Alors pour les applications techniques de la fission,
il faut enrichir l'uranium 235.
On fait cela par séparation d'isotopes,
par exemple dans les centrifuges à gaz contenant de l'uranium hexafluoride.
Dans des ultracentrifuges cylindriques, la rotation génère un enrichissement
de l'isotope léger vers l'axe et de l'isotope lourd vers la périphérie.
Alors, ces centrifuges sont utilisées en parallèle et en série
pour obtenir des quantités et des degrés d'enrichissement voulus.
L'uranium enrichi est une composante critique à la fois pour les applications
civiles et militaires.
Pour les applications civiles,
il suffit d'avoir un enrichissement de quelques pour cent.
Maximum 20 %.
Pour des applications militaires, il faut
enrichir à des proportions beaucoup plus importantes.
Une bombe nucléaire contient d'habitude au moins 85 % d'uranium 235,
mais une arme simple, inefficace et très polluante
peut déjà être obtenue à partir d'à peu près 20 %.
C'est pour cela qu'il y a une association qui
est l'International Atomic Energy Agency à Vienne,
qui essaye de contrôler et de surveiller la production, le stockage et
l'enrichissement des matériaux fissibles en général.
Passons aux applications techniques de la fission.
Dans l'environnement contrôlé d'un réacteur nucléaire, le but est
d'obtenir une réaction en chaîne avec juste la criticité qu'il faut,
c'est-à-dire avec un facteur k de nombre de neutrons produits dans une
étape par rapport à l'étape précédente, qui est exactement égal à un.
Ceci permet d'avoir une source d'énergie soutenue.
Dans ce schéma, vous voyez un peu les éléments d'une centrale nucléaire.
À gauche, vous voyez le réacteur lui-même,
qui contient la cuve qui contient le matériel fissible ainsi que
deux éléments de contrôle qui sont les tiges de contrôle et le modérateur.
Dans cette cuve circule un refroidissant,
qui via un échangeur de chaleur va produire de la vapeur,
qui à l'extérieur du réacteur peut faire fonctionner une
turbine et un générateur pour ainsi générer de l'énergie électrique.
Alors, les neutrons thermiques incidents sur l'uranium à l'intérieur de la cuve
seront capturés d'une manière radiative par l'uranium 238
et ne vont donc point causer la fission.
C'est pour ça que l'on utilise de l'uranium enrichi en uranium 235,
à à peu près 20 %, comme carburant à l'intérieur.
Les tiges de contrôle sont là pour régler le taux des neutrons dans le réacteur.
Ils sont souvent faits de cadmium qui a une section efficace
élevée pour l'absorption des neutrons.
En insérant ou en enlevant ces tiges, on arrive à contrôler le flux de neutrons,
et donc le taux de réaction qui permet de garder la criticité k = 1
et donc une source de puissance constante.
Le rôle du modérateur par contre, est de
freiner les neutrons par diffusion et donc augmenter leur probabilité de capture.
On choisit normalement une matière peu chère qui a une section efficace très
faible pour l'absorption des neutrons.
Souvent, de l'eau lourde,
D_2O plutôt que de l'eau normale, H_2O, parce que la section efficace pour
la capture d'un neutron dans l'hydrogène est plus grande que dans le deutérium.
Dans une centrale nucléaire,
le coeur est immergé dans dans un liquide refroidissant.
Son but est de faire sortir la chaleur produite par le coeur pour
faire de la vapeur et faire fonctionner des turbines.
Le rôle du refroidissant est aussi de contrôler la température du coeur du
réacteur et d'éviter ce que l'on appelle le melt-down, la fonte du coeur,
qui peut entraîner des accidents nucléaires très très graves.
Le tout est entouré par des protections nécessaires pour
éviter toute contamination de l'environnement par la radiation,
comme le montre la coupole au fond de cette image-là.
À droite vous voyez une tour de
refroidissement qui va retransformer, recondenser la plupart de la vapeur
générée par l'échangeur et la retransformer en eau.
Au début, au début d'un cycle de fonctionnement d'un réacteur,
la valeur de k est réglée de manière à être légèrement au-dessus de un,
jusqu'à ce que la puissance désirée soit atteinte.
Ensuite, on réglera k pour être exactement égal à un, pour avoir une source stable.
On avait déjà calculé le rendement impressionnant de l'énergie liée à la
fission nucléaire.
En ignorant tout rendement des centrales et les efficacités qui interviennent,
on avait calculé qu'un gramme d'uranium
équivaut à trois tonnes de charbon en rendement calorique.
Ceci explique l'application importante de cette source d'énergie dans les pays
développés, que vous voyez dans ce graphisme,
vous voyez une tache rouge pour chaque centrale
nucléaire actuellement en exploitation.
Au 31 mars 2014, 435 réacteurs étaient en exploitation dans 31 pays dans le monde,
avec une puissance totale installée d'à peu près 372 gigawatts nets.
72 réacteurs sont actuellement en construction.
En 2012, environ 10 % de l'électricité mondiale était d'origine nucléaire.
Mais l'âge des centrales nucléaires existantes est assez important,
comme c'est visible dans ce graphisme.
Là on montre le nombre de réacteurs en 2013, en fonction de leur tranche d'âge.
Et vous voyez que la plupart des centrales existantes a plus de 20 d'âge.
La crise économique depuis 2008 et l'accident nucléaire de Fukushima
a provoqué une baisse de production d'électricité
nucléaire de 4 % en 2011 par rapport à 2010.
Des pays comme l'Allemagne, la Belgique,
la Suisse ou bien Taïwan ont annoncé leur sortie du nucléaire.
D'autres pays ne s'engagent plus dans le nucléaire et dans la production
d'énergie nucléaire.
Selon Wikipédia, les 18 chantiers des réacteurs en construction
affichent plusieurs années de retard, dont neuf sont en construction depuis 20 ans.
Dans la prochaine vidéo, on présentera les principes de la fusion nucléaire comme
source de chaleur et on verra comment celle-ci fonctionne dans les étoiles
et dans des centrales à fusion futures.
[MUSIQUE]
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