Enjeux planétaires et énergétiques : le radon, effet de serre, nucléaire bac L 2006

L'écorce terrestre, constituée essentiellement de roches granitiques, contient naturellement de l'Uranium qui se désintègre très lentement en noyaux également instables comme le Radon 222. Le Radon 222 est un gaz rare qui est capable de passer des roches à l'air libre.

L'air que l'on respire contient donc ce gaz radioactif naturel incolore et inodore. Le Radon est la cause principale de la radioactivité atmosphérique. La CEE recommande pour la santé de ne pas dépasser un seuil de 400 désintégrations par seconde et par m³ dans les habitations.

Sachant qu'un becquerel (Bq) correspond à une désintégration par seconde, donner le nombre maximum de becquerels par m³ recommandé par l'Union Européenne (ex CEE) dans une maison.

400 Bq m^-3.

Que représentent les nombres 222 et 86 dans la notation ²²²₈₆Rn ? En déduire la composition du noyau.

222 : nombre de nucléons ( protons et neutrons )

86 : nombre de charge ( nombre de protons : 86 )

222-86 = 136 neutrons.

On mesure le nombre de noyaux de radon présents dans 1 m³ d'air pendant 10 jours.

date ( jour)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
nombre de noyaux	24	20	16,5	14	11,5	9,5	8	6,5	5,5	4,5	4

Compléter le graphe ci-dessous et tracer la courbe.

Donner la définition de la période radioactive d'un nucléide.

Durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initiaux se sont désinntégrés

En vous aidant du graphique, donner une valeur approchée de la période radioactive du radon en arrondissant à la valeur entière la plus proche.

3 jours.

Le noyau de Radon se désintègre dans l'atmosphère par radioactivité a en donnant un noyau de Polonium (Po) et une particule a.

La particule a émise est telle que lors de cette désintégration, il y a conservation du nombre de nucléons. La désintégration s'écrit alors :

²²²₈₆Rn --> ²¹⁸₈₄P0 + a

La particule a est-elle un noyau d'hélium He (A= 4), un neutron n (A=1), un proton p (A=1) ou un électron e- (A=0) ? Justifier.

La conservation du nombre de nucléons s'écrit :

222 = 218 +A d'où A=4 : donc noyau d'hélium He (A= 4)

Les villes concentrent tous les polluants de l'air et à cause des vents et des pluies, cette pollution locale tend à s'étendre sur les continents entiers.

La pollution devient diffuse, largement répandue jusque dans les coins de nature où l'on pense naïvement que l'air est " pur "...

D'autant que ces émissions massives, quotidiennes, de gaz toxiques chahutent désormais jusqu'au climat. La modification de la teneur en C0₂ et en méthane de l'atmosphère depuis le début de l'époque industrielle n'a pas d'équivalent au cours de l'ère quaternaire. Les scientifiques estiment aujourd'hui que l'émission de ces gaz à effet de serre a fait subir à la température moyenne de la Terre une hausse comprise entre 0,6 et 0,9 °C et élevé le niveau de la mer de 10 à 25 centimètres. Une tendance inexorable dont on ne peut que désormais limiter le rythme.

D'après Science et vie n°1020, septembre 2002, page 110.

Document 2 : l'avenir du nucléaire

Faut-il promouvoir l'énergie nucléaire ? Elle présente l'énorme avantage de ne pas émettre de gaz à effet de serre. C'est d'ailleurs parce que près de 80% de son énergie est nucléaire que la France n'a pour objectif qu'une stabilisation de ses émissions à l'horizon 2010. Certes, reconnaissent ses détracteurs, mais elle produit des déchets radioactifs dont certains ont une très longue durée de vie. Il est évident que l'énergie nucléaire serait beaucoup mieux acceptée si ce problème était résolu...

D'après Science et vie n°1020, septembre 2002, page 119

Dans les documents 1 et 2, comment nomme-t-on le phénomène qui est à l'origine du réchauffement de la planète ?

émission de gaz à effet de serre.

A partir du document 1, nommer les gaz contribuant à ce phénomène.

C0₂ et méthane.

On réalise un test à l'eau de chaux sur chacun de ces gaz. Pour l'un d'entre eux, le test est positif. Quel est ce gaz ?

Le dioxyde de carbone trouble d'eau de chaux.

À l'aide du document 1, citer une des conséquences du réchauffement de la planète.

Fonte des glaces continentales et élévation du niveau de la mer de 10 à 25 centimètres.

D'après le document 2, quelle solution " énergétique " produisant de l'électricité ne participe pas au réchauffement de la planète ?

l'énergie nucléaire.

Quel est alors le problème engendré par l'utilisation de cette ressource énergétique ?

" elle produit des déchets radioactifs dont certains ont une très longue durée de vie."

Document 3 : l'uranium : l'abondance au rendez-vous ?

Le conseil mondial de l'énergie prévoit une participation en hausse du nucléaire dans la production mondiale d'électricité.

Cette perspective dépend, bien évidemment, des ressources en uranium.

Ces réserves sont régulièrement évaluées, ainsi près de 3 000 000 de tonnes d'uranium seraient exploitables dans le monde à moins de 80 $ le kg et les besoins annuels sont estimés aujourd'hui à 60 000 tonnes.

Si l'on ajoute aux réserves actuelles, les ressources des gisements potentiels reposant sur des relevés géologiques, la perspective d'épuisement passerait de 50 ans à 280 ans.

À partir des données du document 3 concernant les réserves d'uranium exploitables et les besoins annuels, calculer la durée pendant laquelle ces réserves peuvent satisfaire la demande mondiale.

3 000 000 / 60 000 = 50 ans.

Le conseil mondial de l'énergie prévoit une participation en hausse du nucléaire dans la production mondiale d'électricité.

Quelle en serait la conséquence sur les prévisions d'épuisement des ressources d'uranium ?

Si la consommation d'uranium augmente, ce dernier va s'épuiser plus rapidement.

L'isotope radioactif de l'uranium a pour symbole ²³⁵₉₂U. Que représentent les nombres 235 et 92 ?

235 : nombre de nucléons ( protons et neutrons) du noyau.

92 : nombre de charge, nombre de protons du noyau.

Une centrale thermique nucléaire utilise comme combustible de l’uranium 235. La libération d’énergie sous forme de chaleur provient de réactions produites à partir des noyaux d’uranium 235. Une des réactions possible est :

²³⁵ U + ¹ n --> ¹³⁹ Ba + ⁸⁶ Kr + 11 ¹ n

De quel type de réaction nucléaire s’agit-il ?

fission d'un gros noyau instable en deux noyaux plus petits et plus stables.

Nommez la particule ¹ n : neutron.

Dans cette réaction, l’un des produits est du baryum 139. Que désigne le nombre 139 ?

139 est le nombre de nucléons, protons et neutrons du noyau de baryum.

Le noyau de cet atome contient 56 protons. Combien y-a-t-il de neutrons ?

139-56 =83 neutrons.

Document B : l’avenir du nucléaire passe–t-il par l’EPR (European Pressurized Reactor) ?

Construit dans les années 80 et 90, le parc nucléaire français était conçu pour durer trente ans.

Sa durée de vie devant être prolongée de dix ans, il ne commencera à devenir obsolète qu’à partir de 2020. Faut-il dès aujourd’hui, se préparer à le remplacer ? Oui, répond AREVA, géant français de l’industrie atomique, qui cherche un débouché pour son nouveau réacteur à eau pressurisée : l’EPR.

L’EPR, reconnaît AREVA, n’a rien de révolutionnaire mais comporte néanmoins des perfectionnements par rapport aux autres réacteurs à eau pressurisée. Les ingénieurs ont pris en compte l’accident le plus grave : la fusion du coeur lorsque la réaction échappe à tout contrôle, en introduisant un compartiment pour récupérer le combustible en fusion.

L’EPR se veut aussi plus économique parce que son coeur est plus gros (sa puissance thermique vaut 1,6 x 10⁹ W) ce qui lui permet d’atteindre un meilleur rendement (36% au lieu de 33%) et donc de consommer moins d’uranium.

(Extrait Sciences et Vie mars 2005)

Quel risque présente la réaction nucléaire qui a lieu au coeur d’une centrale nucléaire ?

Fusion du coeur du réacteur, explosion et dispersion de matériaux radioactifs.

Sous quelle forme est libérée l’énergie lors de cette réaction nucléaire ?

Sous forme de chaleur, énergie thermique.

Quel rôle joue le groupe turbo-alternateur dans une centrale nucléaire ?

Conversion d'énergie mécanique en énergie électrique.

En tenant compte de la puissance thermique de l’EPR et de son rendement, quelle puissance électrique peut fournir cette centrale ?

puissance thermique fois rendement : 1,6 10⁹*0,36 = 5,8 10⁸ W.

En vous aidant du texte ou de vos connaissances, citez deux manières de sécuriser le fonctionnement d’une centrale nucléaire.

"en introduisant un compartiment pour récupérer le combustible en fusion."

En multipliant le nombre de dispositifs indépendants de refroidissement du coeur.

Document C : l’ ITER, un autre projet pour demain ?

C’est à Cadarache dans le Sud de la France, que la planète va tenter de maîtriser l’énergie nucléaire de demain. Le site français a été choisi pour accueillir le réacteur expérimental ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)

…Si on arrive à reproduire sur Terre ce que fait le Soleil, ce sera un progrès énorme pour l’humanité. ITER n’est pas une machine à produire de l’énergie. C’est un laboratoire dans lequel sera étudié la faisabilité de la fusion contrôlée.

(quotidien : le télégramme de Brest 29/06/05)

Principe de fonctionnement

1 Dans un anneau de 16,4 m de diamètre, l’hydrogène est maintenu en suspension grâce au champ magnétique crée par des bobines supraconductrices

2 L’hydrogène chauffé (le plasma) atteint 150 millions de degrés ce qui rend possible le phénomène de fusion nucléaire.

3 Sous l’effet de la chaleur, les petits noyaux de deutérium et de tritium (deux isotopes légers de l’hydrogène) fusionnent en deux plus gros noyaux d’hélium, libérant des neutrons et une grande quantité d’énergie semblable à celle du Soleil.

Nommer le combustible utilisé lors de la réaction nucléaire décrite dans le document C.

isotopes de l'hydrogène.

Dans le document, on lit « deux isotopes légers ». Qu’appelle-t-on isotope ?

Des isotopes ont le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents.

Donnez le symbole chimique du deutérium sous la forme ^A_ZX sachant que celui-ci comporte 1 neutron.

²₁H.

Citer une raison pour laquelle la fusion nucléaire semble être une solution pour l’énergie nucléaire de demain.

Deutérium et tritium sont abondants et assez bons marché.