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La
matière de base de l'énergie nucléaire est l'uranium naturel qui
contient deux isotopes : l'uranium 235 et l'uranium 238. Les réacteurs
nucléaires à neutrons rapides emploient l'uranium 235 ou le plutonium
239 comme combustibles.
Leur propriété essentielle est de tirer un bien meilleur parti de
l'uranium 238 que les réacteurs à neutrons lents : en effet à énergie
égale produite, ils transforment davantage d'uranium 238 en plutonium
239. En définitive, dans les réacteurs à neutrons rapides bien étudiés,
la quantité de matière fissile créée excède notablement celle qui est
consommée. Tout en fournissant de l'énergie, ils produisent plus de
combustible qu'ils en utilisent. C'est ce qu'on exprime en disant
qu'ils sont surgénérateurs.
1 u = 931,5 MeV/c2 ; m(0-1e) = 5,5 10-4 u ; m(10n) =1,0087 u.
Masses de quelques nucléides en u.
10142Mo
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10242Mo |
10143Tc |
10243Tc |
13552Te |
23592U |
23892U | 23993Np |
23994Pu |
100,907 3
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101,910 3
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100,907 3
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101,909 2
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134,916 7
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235,043 9
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238,050 8
| 239,053 3
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239,053 0
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Qu'appelle-t-on isotopes ?Quelle est la constitution des noyaux d'uranium 235 et 238
Deux isotopes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons ; en particulier, ils possèdent le même numéro atomique Z.
23592U : 92 protons et 235-92 =143 neutrons ; 23892U : 92 protons et 238-92 =146 neutrons.
La masse atomique de l'uranium naturelle étant égale à 238,03 u, des trois affirmations suivantes, laquelle vous paraît exacte ?
(1) l'uranium naturel contient 80 % d'uranium 235. Faux
0,8*235 + 0,2 *238 = 235,6 u.
(2) l'uranium naturel contient 40 % d'uranium 238. Faux
0,6*235 + 0,4 *238 = 236,2 u.
(2) l'uranium naturel contient 0,7 % d'uranium 235. Vrai.
0,007*235 + 0,993 *238 ~ 238 u.
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Dans le réacteur, l'uranium 238 réagit avec un neutron. Le nucléide obtenu est radioactif et par deux émissions ß- se transforme en plutonium.
Ecrire
les équations de ces transformations.
23892U + 10n--->23992U.
23992U ---> 23993Np
+ 0-1e.
23993Np---> 23994Pu
+ 0-1e.
Bilan : 23892U + 10n--->23994Pu
+ 2 0-1e. (1).
Le plutonium 239 est fissile et peut réagir avec un neutron :
23994Pu
+ 10n ---> AZX +13552Te + 3 10n (2).
Identifier X.
Conservation de la charge : 94 = Z + 52 d'où Z = 42, élément molybdène Mo.
Conservation du nombre de nucléons : 239 +1 = A +135+3 ; A = 102.
23994Pu
+ 10n ---> 10242Mo +13552Te + 3 10n. (2).
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Calculer le défaut de masse de cette réaction, puis l'énergie libérée ( en J) par la fission d'un noyau de plutonium.
Dm = 2 m(10n) + m(13552Te) + m(10242Mo) - m(23994Pu).
Dm = 2 *1,0087 +134,916 7 + 101,909 2 -239,053 3 = -0,21 u ou -0,21*931,5 = -195,615 MeV/c2.
Energie libérée : E = |Dm| c2 =195,615 MeV ou 195,615 106 *1,6 10-19 = 3,13 10-11 J.
Si on admet que la fission de chaque noyau de plutonium s'accompagne, en moyenne, d'une telle libération d'énergie, trouver en joule l'énergie libérée par un kilogramme de plutonium.
Nombre de noyaux de plutonium dans 1000 g : 1000 / 239 *6,02 1023 = 2,52 1024.
3,13 10-11 *2,52 1024 ~7,9 1013 J.
On définit le facteur de conversion d'un réacteur nucléaire par le rapport : C = Ncréés / Nconsommés.
Ncréés : nombre de noyaux fissiles créés ; Nconsommés : nombre de noyaux fissiles consommés.
Calculer C pour les réactions (1) et (2) et justifier le terme surgénérateur.
23892U consommé et 23994Pu créé : C(1) = 1 / 1 = 1.
23994Pu consommé et deux neutrons produits qui peuvent réagir sur 23892U pour conduire à 23994Pu. C(2) > 1.
Le surgénérateur peut produire plus de combustible qu'il n'en utilise.
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