Projet final Fission U 235

La Fission de l’isotope 235 de l’Uranium, en Strontium 94 et xénon 140

Mission Urani-Homme

Madame la Présidente, Mesdames et Messieurs les citoyens, nous allons vous présenter notre projet nucléaire reposant sur la fission de l’isotope 235 de l’uranium.

Nous sommes convaincus que ce projet est le plus adéquat à servir les intérêts énergétiques de la France; enjeu majeur de notre économie et de notre développement. En effet c’est un projet rentable pour notre pays. Il est également intéressant au point de vue de l’écologie qui reste une des priorités pour nous comme le rappelle le nom de notre projet, à savoir « Urani-homme ». Notre mission se divise en plusieurs grandes parties. Nous vous présenterons pour commencer le principe de la fission et plus précisément celui de l’uranium 235. Puis nous vous exposerons les principes reliés à l’ énergie ainsi qu’à l’électricité. Enfin nous revendiquerons les intérêts et les qualités de notre projet, afin de vous convaincre de la viabilité de notre étude.

I Définition et utilisation de la fission de l’isotope 235 de l’Uranium

A) La fission :

La fission nucléaire est le phénomène par lequel le noyau d’un atome lourd (noyau qui contient beaucoup de nucléons, tels les noyaux d’uranium et de plutonium) est divisé en plusieurs nucléides plus légers. Cette réaction nucléaire se traduit aussi par l’émission d’un ou deux neutrons et un dégagement d’énergie très important. Le principe et l’utilisation de la fission nucléaire se basent sur le principe de réaction en chaîne :

– nous bombardons un noyau d’uranium 235 avec un neutron, dans le but de le rendre instable. Le noyau instable va alors se désintégrer, produisant de l’énergie nucléaire.

– les deux neutrons ou trois dégagés par la réaction vont à leur tour « heurter » deux noyaux d’uranium, les rendant instables, et ainsi de suite jusqu’à l’épuisement d’uranium 235.

La fission de l’Uranium 235 va donc émettre un noyau de strontium 94 et de xénon 140, on les appelle produit final de la désintégration par fission de l’uranium 235. Selon la loi de Soddy ou loi de conservation disant que lors d’une équation nucléaire il y a conservation de la charge électrique et conservation du nombre de masse A, on peut écrire :

235U + neutron → 94Sr + 140Xe + 2 neutrons + hn

Il faut savoir que les états stables du xénon et du strontium ne seront atteint qu’après désintégration complète, soit dans une durée très importante après la fission.

Après une telle réaction il y a bien sur des déchets radioactifs qui, suivant leur composition, peuvent être valorisés immédiatement, stockés en attendant que les évolutions technologiques permettent de les réutiliser, ou stockés définitivement après traitement.

B) Le Réacteur R.E.P.

Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, qui produira de la vapeur d’eau, laquelle entrainera la rotation d’un alternateur producteur à son tour d’ électricité. C’est la principale mise en œuvre de l’énergie nucléaire dans le domaine civil.

Dans le cœur du Réacteur REP (réacteur a eau sous pression), on trouve l’uranium sous forme de petites pastilles cylindrique de 8 mm de diamètre, en oxyde d’uranium (dioxyde d’uranium), empilées dans des tubes de zirconium parfaitement étanches.

En réalité, le combustible nucléaire apelé MOX (Mélange d’Oxydes) est un combustible nucléaire constitué d’environ 7 % de plutonium et 93 % d’uranium. Les crayons combustibles ainsi formé sont regroupés en assemblage de section carrée, qui en contiennent chacun 264. Chaque assemblage combustible a plus de 4,5 m de hauteur et une masse de 700 Kg environ ; On compte 193 assemblages dans une centrale de 1300 MW, soit au total environs 100 tonnes d’uranium.

Il faut savoir que l’uranium utilisé dans les centrales est enrichi à l’uranium 235. L’enrichissement de l’uranium est le procédé consistant à augmenter la proportion d’isotope fissile dans l’uranium. L’uranium naturel contient 0,71 % d’uranium 235. Or pour provoquer une réaction de fission nucléaire dans les réacteurs à eau pressurisée, il faut disposer d’un uranium qui contienne entre 3 et 5 % de l’isotope 235. C’est à cela que sert l’enrichissement de l’uranium.

On renouvelle un tier ou un quart des assemblages chaque années.

La fission est contrôlée par des barres dites de contrôle, en bore ou en cadmium, qui absorbent, lorsqu’on les plonge dans le cœur du réacteur, les neutrons produits.

Une barre de contrôle est une « pièce mobile» de matériau neutrophage (absorbant neutronique), servant à diminuer le facteur de multiplication des neutrons par capture stérile de neutrons ; ces absorbants neutroniques permettent ainsi de contrôler des réactions en chaîne dans l’industrie nucléaire.

Un des moyens de contrôle du flux neutronique d’un réacteur nucléaire à eau légère est l’insertion ou le retrait de ces barres de contrôle. En absorbant des neutrons le flux neutronique diminue, le nombre de fissions dans le cœur diminue ce qui entraîne une baisse de la puissance thermique du cœur. Cela contrôle le facteur de multiplication K qui est le rapport entre le nombre de neutrons présents au début (c’est-à-dire entrant) d’une fission donnée au nombre de neutrons présents au début (sortant) de la prochaine fission.

K= n.sortant/n.entrant

Si K=1, le régime du réacteur est dit exactement critique ce que nous souhaitons pour un régime stationnaire de puissance. Les réacteurs sont construits pour être naturellement supercritiques (k>1); le facteur de multiplication est ensuite ajusté au régime critique en insérant les barres de contrôle.

Le circuit primaire transfère l’énergie produite par la fission des atomes d’uranium au circuit secondaires. Il contient l’eau qui circule à l’intérieur de la cuve entre les gaines de combustible ; l’eau est sous un pression élevée, de l’ordre de 150 bars, sa température peut atteindre 300° environ. Cette eau passe ensuite à travers un échangeur de chaleur où elle se refroidit en vaporisant l’eau du circuit secondaire.

Le circuit secondaire comporte un générateur de Vapeur. La vapeur produite est sur les piles d’une turbine couplée à un alternateur. Après sa poussée sur les pales, la vapeur secondaire est condensée. L’eau recueillie est alors renvoyée aux générateurs de vapeurs. Les circuits primaires et secondaires sont indépendants et fermés.

Le circuit de refroidissement : L’eau froide de ce circuit, en provenance d’une source d’eau naturelle (mer, fleuve…), permet la condensation de la vapeur du circuit secondaire. C’est l’indispensable source froide de toute machine thermique.

La France tire à 70% son électricité utilisée globale du nucléaire. C’est donc la source d’énergie électrique principale en France. La France est donc totalement dépendante de l’énergie nucléaire délivrée par ses 58 réacteurs.

On trouve de grandes quantités d’uranium dans le monde, et notamment en France :

Les réserves mondiales sont très importantes et accessibles massivement pour encore plusieurs décennies.

D’autre part, le gouvernement s’oriente vers la construction de nouveaux réacteurs EPR qui est une évolution d’un réacteur REP. Il augmente encore le rendement énergétique pour atteindre 36%. La durée de vie technique est allongée. Ce réacteur nécessite 15% d’uranium en moins pour la même production électrique. Enfin, ce réacteur peut fournir 1600MW.

II Énergie et Électricité

La fission de l’uranium 235 demande de l’énergie mais en produit beaucoup, car l’intérêt pour l’homme de cette fission serait de produire plus d’énergie que ce qui serait consommé par la fission. Ces réactions se font actuellement dans des centrales nucléaires un peu partout dans le monde mais il faut savoir qu’en France presque la totalité de l’énergie électrique est produite dans les centrales nucléaires. Les rejets radioactifs produits dans les centrales nucléaires sont non polluant car ils sont stockés sous terre en attendant soit de nouvelles utilisations futures, soit leurs désintégration naturelle totale. Ce qui importe donc sur le choix du noyau à exploiter c’est la quantité d’énergie qu’il est possible d’extraire de ce noyau lors de la fission, car plus il y a d’énergie produite plus la quantité d’électricité produite au final sera grande.

A)Bilan énergétique

Il est possible de calculer l’énergie produite par un noyau d’uranium 235 durant sa fission, cette énergie est le fruit de la séparation du noyau d’uranium 235 en deux noyaux plus léger, du strontium 94 et du xénon 140. L’énergie dégagée par cette fission peut s’appeler de deux manières différentes, elle peut correspondre à l’énergie de liaison mais est également appelé le défaut de masse. Ces deux appellations différentes viennent du fait que l’on peut la calculer de deux manières différentes. On peut la calculer grâce à l’énergie de liaison ou grâce au défaut de masse :

Tout d abord il faut savoir qu’un système au repos de masse m, possède une énergie de masse (E) que l’on peut calculer grâce a la relation de Einstein :

E = m.c² , où m est la masse exprimé en kg, et c la vitesse de la lumière dans le vide (=3,0.10^8 m/s).

La conséquence de cette énergie de masse est que si le système (au repos) échange de l’énergie avec le milieu extérieur (ici un neutron), sa variation d’énergie et sa variation de masse sont liées par la relation : dE = dm.c².

C’est ce qu’on appelle l’équivalence masse-énergie. Cette énergie de masse va dépendre donc de la masse du noyau, plus il sera lourd, plus l’énergie de masse sera élevé, et donc plus la productivité d’électricité sera grande, ce qui fait de l’uranium 235, noyau le plus lourd sur Terre, a le meilleur rapport masse-énergie et donc le plus avantageux dans l’industrie électrique.

  • Défaut de masse : Expérimentalement, on a constaté que la masse du noyau atomique est inférieure à la somme des masses des nucléons qui le constituent. C’est-à-dire que lors de la fission, l’uranium se dissocie en deux noyaux plus légers qui a deux n’atteignent pas la masse de l’uranium, il y a donc une énergie produite qui complète ce défaut de masse (énergie rayonnante ou thermique), cette énergie étant nécessaire a la production d’électricité. On peut calculer ce défaut de masse grâce à la relation :

dm = Z.mp + (A – Z).mn – mnoyau

  • Énergie de liaison du noyau : On appelle énergie de liaison d’un noyau (notée El) l’énergie que doit fournir le milieu extérieur pour séparer ce noyau au repos en ses nucléons libres au repos. Lorsqu’on brise le noyau, sa masse augmente de dm et son énergie de dm.c². On n’en déduit que l’énergie de liaison d’un noyau à pour expression :

El = dm.c2

L’énergie de liaison par nucléons est le quotient de son énergie de liaison par le nombre de ses nucléons. On la note E:

EA = El /A avec A le nombre de nucléon du noyau.

L’énergie libérée lors d’une fission correspond donc bien a l’énergie de liaison et au défaut de masse et dans le cas de l’uranium 235, l’énergie libérée est très grande, de l’ordre de 184 MeV.

B) Étude de la courbe d’Aston

Dans cette optique là, nous allons étudier la courbe d’Aston :

La courbe d’Aston donne l’énergie de liaison moyenne (-E1/A) par nucléon en fonction de du nombre de nucléon (A) d’un noyau donné. L’énergie de liaison moyenne étant donnée en MeV (Méga électron par Volt) et A en nombre de nucléon par noyaux.

Exploitation :

On voit que cette courbe donne plusieurs informations concernant les noyaux radioactifs. De 70 à 190 A, est située la zone des noyaux stables c’est-à-dire que leur énergie de liaison (énergie nécessaire pour dissocier un système de particules ou corps en interaction) est suffisante, rendant alors leur durée de vie illimitée. De 0 a 20 A et de 190 A et plus se trouve la zone des noyaux instables c’est-à-dire qu’ils tendent à se transformer en un noyau plus stable en émettant un rayonnement. IL y a ceux qui se transforme par fission et ceux qui se transforme par fusion. La différence entre ces noyaux vient de leurs nombre de nucléons, les noyaux dit légers tels que l’hydrogène ou l’hélium vont fusionner pour atteindre la stabilité alors que les noyaux dit lourds tels que l’uranium ou le plutonium vont subir une fission nucléaire.

Intérêt énergétique :

Il y a donc dégagement d’une énergie exploitable lors de la fission d’un élément tel que l’uranium 235, il y a création d’une énergie que l’on peut récupérer et tirer a notre profit, c’est l’intérêt énergétique de la fission de l’uranium 235 faite dans les centrales nucléaires.

Cas de l’uranium 235 :

Nous nous intéressons ici au cas particulier de la fission de l’uranium 235 dont l’équation de fission est :

235U + 1neutron → 94Sr + 140Xe + 2 neutrons + hn

On voit donc ici que le 94Sr et le 140Xe se trouve dans la zone des noyaux dit stables. L’uranium 235 s’est donc bien transformé par fission, car il se trouve dans la zone des noyaux fissibles, en deux noyaux stables et a émis une particule d’énergie produite par la fission. L’intérêt énergétique est donc toujours présent car on voit que la fission de l’uranium permet ce dégagement d’énergie récupérable et exploitable.

L’étude de cette courbe nous permet de voir que l’uranium 235 est donc l’isotope qui produit le plus d’énergie lors de sa fission car il est le noyau le plus lourd il a donc le meilleur rapport masse-énergie !

III Economie, écologie, social : quel avenir pour l’uranium 235 ?

A) Les aspects écologiques de l’exploitation d’uranium 235

Le développement durable est la capacité pour une génération à répondre à ses besoins présents sans compromettre ceux des générations futures.

Il est admis actuellement en France qu’un projet visant l’exploitation d’uranium 235 ne constitue pas un danger potentiel pour la sante et l’environnement, dans la mesure où il est correctement planifié, où il respecte les mesures internationalement établies à ces fins. Les projets actuels concernant ce type d’exploitation nucléaire s’efforce de respecter les normes écologiques prévues à cet effet.

L’adoption de bonnes pratiques d’exploitation permet à l’utilisation de la fission de l’uranium 235 d’être la méthode énergétique la moins nocive pour l’environnement, en comparaison avec les autre types de production d’énergie nucléaire, tel que le décrit le rapport de la Commission mondiale sur l’environnement et le développement avec le rapport Brundtland (1978).

De même, l’extraction de l’uranium 235 ne représente qu’une faible émanation de gaz à effet de serre. Le procédé relatif à l’utilisation de l’uranium 235 est moins écologiquement polluant que la production d’énergie à l’aide de matières fossiles. L’uranium serait présent sous formes de 4.35 millions de tonnes sur le globe, et les futurs progrès géologiques devraient permettre d’ici peu la découverte de 12 millions de tonnes supplémentaires. C’est donc un matériau naturellement abondant sur terre. L’eau de mer contient également de fortes concentrations d’uranium (environ 4000 millions de tonnes d’uranium, soit une autosuffisance pour faire perdurer le programme électronucléaire sur 80 000 ans) d‘après l‘US Atomic Energy Commission.

L’exploitation de l’uranium 235 est donc à proprement parler respectueux de la notion de « développement durable », ce qui en fait une utilisation, dans le cadre de production réglementée et surveillée, écologiquement propre et responsable.

>> Lois Brésiliennes, Canadiennes et Australiennes sur la surveillance des déchets radioactifs, qualifiés de « sûrs » tant que la production et leur stockage respecte ces différentes lois (USAEC).

Nouvelles techniques plus respectueuses de l’environnement : au Canada, nouvelles techniques de forage en profonde par « trous verticaux aveugles », et abattage par jet hydraulique, à distance. La santé des ouvriers extrayant l’uranium n’est plus menacée. Les résidus propres à cette extraction sont également réduits sous forme d’une pâte composée à 50% de solide, stockée sous l’eau. De nombreux pays émergents appliquent déjà de nombreuses mesures quant à l’utilisation de l’uranium 235, réduisant l’impact écologique aux alentours de 0 (programme de surveillance des déchets au Niger, système adapté de recyclage en Namibie, système de ventilation perfectionné en Inde, etc..)

Le démantèlement et la réhabilitation de sites miniers d’extraction de l’uranium sont également de plus en plus perfectionnés, et ne constitue à ce jour plus de risque quelquonque pour l’environnement. Il en va de meme pour le traitement des déchets radioactifs, sujets de programmes de stockages très perfectionnés mis en place par les états producteurs d’électricité via la fission de l’uranium 235.

Les dangers pour la population sont pratiquement nuls lorsque la centrale fonctionne normalement car il n’y a que des rejets de vapeur d’eau non radioactive. Les déchets radioactifs sont extraits à la centrale même, stockés dans des caissons hermétiques et enterrés sous terre pour des utilisations futures où ils se désintègrent naturellement. Il n’y a donc pas de risques pour les populations sauf en cas d’accidents nucléaires comme au Japon avec la centrale de Fukushima ou en Ukraine avec celle de Tchernobyl.

Les dangers nucléaires étant connus aujourd’hui, les mesures de sécurité notamment en France offrent une protection maximale à toute catastrophe nucléaire.

A ce jour, la France possède le plus grand parc nucléaire au monde avec 58 réacteurs à travers le pays. Le nucléaire représente 17 % de l’énergie française et en exporte beaucoup à l’étranger. Les rejets nucléaires ne relâchant pas de CO2, le nucléaire peut être considéré comme ne participant pas à l’effet de serre et l’uranium 235 se trouve presque partout dans la croute terrestre et dans l’eau de mer. Le nucléaire avec la fission de l’uranium 235 est donc une énergie qui n’est pas près de s’épuiser et qui permet une grosse production d’électricité (13 % de l’électricité mondiale), il est donc nécessaire pour l’économie mondiale et pour l’environnement de continuer de produire de l’énergie dans les centrales nucléaires avec la fission de l’uranium 235, à condition de respecter toutes les consignes de sécurité car le nucléaire malgré son utilité reste une menace potentielle.

  B) Les aspects économiques et sociales de l’industrialisation de l’énergie nucléaire grâce à l’isotope d’Uranium 235

L’exploitation de l’uranium 235 est la plus rentable au niveau économique : l’uranium extrait des mines mondiales comporte différentes proportions d’uranium 235. L’uranium, pour être rentable, doit comporter 0.1% d’uranium 235.

En effet, pour déterminer l’énergie nette produite par l’uranium (soit l’énergie bénéfique tirée de cette exploitation : l’énergie utilisée moins l’énergie créée) est d’environ 80 Gjoules par kilogramme d’uranium 235 utilisé. Cette production est rentable dès lors que l’on trouve ces 0.1% d’uranium 235 dans les minerais. Or, plus de 60% des réserves d’uranium comportent plus de 0.1% d’uranium 235 brut.

Il faut savoir que la consommation moyenne en électricité de la France par jour est d’environ 490 000 GW par an. Un réacteur nucléaire est pourvu de 6 tonnes d’uranium 235, produisant à lui seul 480 000 GW. La consommation de la France est alors couverte. Sachant que nous utilisons plus de 6 tonnes d’uranium 235 par an, la production est alors supérieure à la demande, car la France dispose du plus important parc nucléaire mondial avec 58 réacteurs.

Nous savons également que 70% de l’énergie électrique utilisée par la France est d’origine nucléaire. Cependant, seulement 17% de l’énergie nucléaire produite est consommée, le reste étant exporté à l’étranger. Cela représente un bénéfice net d’environ 360 millions d’euros par an, alors qu’actuellement les prix sont en nette augmentation. C’est donc un avantage économique conséquent qui, si développé, offrirait à la France un marché de l’énergie très rentable, et sans véritable conséquence quant à la vente aux marchés émergents. Le coût d’un réacteur nucléaire par unité de 1000 MW est de 1.5 milliard d’euros. Cet investissement se retrouve donc à terme largement rentabilisé, la France possédant des installations de production d’énergie nucléaire depuis 1960.

L’exploitation de l’uranium 235 est donc la production d’énergie nucléaire la plus rentable existant, par le relatif faible coût de la matière fissile ainsi que les performances actuelles des réacteurs français en termes de productivité.

CONCLUSION :

Nous avons donc vu suite à notre étude approfondie, qu’une fission est un phénomène physique durant lequel le noyau d’un atome lourd, est divisé en plusieurs nucléides plus légers. La fission de l’uranium 235 présente plusieurs avantages. Tout d’abord, la France tire une grande partie de son énergie du nucléaire, elle en est dépendante, c’est pourquoi nous avons chercher un projet qui répondrait aux attentes de notre pays tout en essayant de respecter le plus possible l’environnement. Nous trouvons en France, une grande quantité d’uranium. Les réserves mondiales sont aussi très nombreuses et accessibles. La fission de l’uranium 235 demande un apport d’énergie, cependant elle en produit beaucoup, ce qui permet d’équilibrer la consommation d’énergie nécessaire pour notre projet. L’uranium 235 est le noyau le plus lourd, ce qui lui permet d’avoir le meilleur rapport masse – énergie. C’est donc un avantage pour l’industrie électrique. L’énergie libérée lors de la fission de l’uranium 235 est très grande. Le dégagement énergétique créé est alors récupérable et exploitable. De plus, l’application de ce projet est très rentable pour notre pays, car le coût du nucléaire est peu élevé quant aux performances qu’il propose. En comparaison avec d’autres types de production d’énergie nucléaire notre projet est peu polluant car il n’y a qu’une légère émanation de gaz à effet de serre lors de l’extraction de l’uranium. En outre, ce type de production d’électricité émet peu de CO2 , ce qui est également un avantage important pour nous, ainsi que pour le développement de notre pays mais aussi quant a l’avenir de la Terre.

Questions à l’équipe :

 

3 Réponses to “Projet final Fission U 235”

  1. nucleaireunenjeuserieux 25 avril 2012 à 12 h 22 min #

    Pour publier des images ou autres média, il faut cliquer sur le bouton média en haut à gauche de l’édition de page. Regarde un tutoriel; celui ci par exemple : http://videonoob.fr/wordpress/inserer-images-videos
    A demain et bravo.

  2. nucleaireunenjeuserieux 25 avril 2012 à 12 h 54 min #

    Quelques remarques supplémentaires :
    1. Erreurs : « K= Si k=1 » à corriger.

    2. Attention : « La France tire à 80% son énergie utilisée globale du nucléaire. » n’est pas correcte….

    3. « c la vitesse de la lumière dans le vide (=3,0.108 m/s). ». Il faut trouver moyen d’écrire les puissances de 10. de même pour les formules (dE = dm.c2.)

    4. En ce qui concerne la courbe d’Aston : « De 0 a 20 A et de 190 A et plus se trouve la zone des noyaux instables c’est-à-dire qu’ils tendent à se transformer spontanément en un noyau plus stable par émission d’un rayonnement. »
    Attention : ni fission ni fusion ne sont « spontanées » et ces noyaux ne se stabilisent pas par émission d’un rayonnement ! Il y a confusion avec la radioactivité, qui elle est un mécanisme de stabilisation physique par émission d’un rayonnement. Fission et Fusion, sont des réactions nucléaires, c’est à dire, impliquent au moins deux « objets » nucléaires…

    5. Plus loin, il n’est pas correct de dire :
    « Il ya donc durant ces fusions et ces fissions un dégagement d’énergie, énergie appelé énergie de liaison »
    à vous de tenter de prendre encore un peu de recul pour exprimer différemment cela.

    Bravo pour tout ce travail et à demain.

  3. hadrienleclech 25 avril 2012 à 16 h 30 min #

    Bonsoir de la part du groupe de la Présidente!

    Nous vous faisons ici part des questions qu’ont soulevé votre projet, afin que vous sachiez y répondre demain :

    -Votre projet mentionne l’utilisation de Plutonium. Quel est sont intérêt? N’est-il présent que parce qu’on ne peut faire autrement?

    -Pourriez-vous nous donner les demi-vies du Strontium et du Xénon?

    -Les déchets nucléaires doivent être stockés : où et quel est le risque pour les populations plus ou moins proches?

    -Que deviennent les neutrons captés par les « barres », dans le cadre du contrôle de la fission?

    -Enfin, vous prévoyez une durée d’exploitation de 80 000. Cette prévision prend-t-telle en compte l’explosion du nucléaire dans les pays en développement, ou est-il basé sur le parc nucléaire mondial actuel?

    Merci pour cette intéressante lecture, et à demain!

    Ps : dans le B du I), vous avez confondu énergie globale et électricité (70%), et un paragraphe est écrit deux fois dans le A du III)

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