Enseignement scientifique Terminale - 2024
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Sciences, climat et société
Ch. 1
L’atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Se préparer à l'évaluation - Thème 1
Le futur des énergies
Ch. 4
Deux siècles d’énergie électrique
Ch. 5
Conversion et transport de l’énergie électrique
Ch. 6
Énergie, développement et futur climatique
Se préparer à l'évaluation - Thème 2
Une histoire du vivant
Ch. 7
La biodiversité et son évolution
Ch. 8
L’évolution comme grille de lecture du monde
Ch. 9
L’évolution humaine
Ch. 10
Les modèles démographiques
Ch. 11
De l’informatique à l’intelligence artificielle
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Thème 2 - Le futur des énergies
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SujetSupplément numériqueLe nucléaire
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Introduction
Depuis un siècle, la maîtrise des ressources en énergie a permis une hausse du niveau de vie des populations. Néanmoins, climat et énergie sont intimement liés : le monde est actuellement confronté d'une part à la raréfaction des ressources, d'autre part à la surconsommation et à ses impacts sur l'environnement.
L'exploitation de l'énergie nucléaire, née à la fin des années 1930, s'est développé en France dès 1963 avec un objectif renforcé au début des années 1970, suite au premier choc pétrolier. Aujourd'hui, 76 % de l'électricité est d'origine nucléaire en France. Les améliorations des réacteurs nucléaires doivent arriver à une production électrique plus importante, grâce à un système de conversion d'énergie optimisé avec une sûreté accrue. Des gains sensibles sur le cycle du combustible sont notamment recherchés.
L'exploitation de l'énergie nucléaire, née à la fin des années 1930, s'est développé en France dès 1963 avec un objectif renforcé au début des années 1970, suite au premier choc pétrolier. Aujourd'hui, 76 % de l'électricité est d'origine nucléaire en France. Les améliorations des réacteurs nucléaires doivent arriver à une production électrique plus importante, grâce à un système de conversion d'énergie optimisé avec une sûreté accrue. Des gains sensibles sur le cycle du combustible sont notamment recherchés.
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Doc. 1La « chaudière » d'un réacteur nucléaire
Pour produire de l'électricité de manière industrielle, on utilise une turbine qui transmet à un alternateur une force suffisante pour le mettre en rotation rapide. Celui-ci va convertir l'énergie mécanique qui lui est communiquée en énergie électrique.
La turbine est alimentée, dans une centrale nucléaire classique, par de la vapeur sous pression. Dans ce cas, on a recours à une « chaudière » qui produit la chaleur à partir de laquelle la vapeur est générée. Un réacteur nucléaire produit de la chaleur par des réactions de fission de noyaux atomiques tels que ceux de l'uranium 235 (^{235}\text{U}). Toute chaudière a besoin d'un « fluide caloporteur » pour évacuer la chaleur à transmettre. Dans les centrales nucléaires actuellement en service, ce fluide est tout simplement de l'eau. Dans les « systèmes nucléaires du futur », le rôle de caloporteur pourra être assuré par un métal liquide, comme le sodium ou le plomb, ou par un gaz, l'hélium.
La turbine est alimentée, dans une centrale nucléaire classique, par de la vapeur sous pression. Dans ce cas, on a recours à une « chaudière » qui produit la chaleur à partir de laquelle la vapeur est générée. Un réacteur nucléaire produit de la chaleur par des réactions de fission de noyaux atomiques tels que ceux de l'uranium 235 (^{235}\text{U}). Toute chaudière a besoin d'un « fluide caloporteur » pour évacuer la chaleur à transmettre. Dans les centrales nucléaires actuellement en service, ce fluide est tout simplement de l'eau. Dans les « systèmes nucléaires du futur », le rôle de caloporteur pourra être assuré par un métal liquide, comme le sodium ou le plomb, ou par un gaz, l'hélium.
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Doc. 2Le RNR refroidi au sodium
Un réacteur à neutrons rapides (RNR) est un réacteur dont le flux de neutrons n'est pas ralenti par le fluide caloporteur (vitesse approximative 20 000 km⋅s-1), contrairement aux réacteurs classiques (2 km⋅s-1). Ces réacteurs nucléaires permettent de brûler la quasitotalité (jusqu'à 96 %) de la ressource d'uranium et de mieux recycler les combustibles usés, produisant de ce fait moins de déchets.
Dans un RNR-Na, le sodium sert de fluide caloporteur.
En sortie du cœur, le sodium atteint 550 °C (sodium primaire chaud). Sa chaleur est extraite du circuit primaire par l'échangeur intermédiaire d'un deuxième circuit dans lequel circule également du sodium. Ainsi réchauffé, le sodium du circuit secondaire est dirigé vers un dispositif qui permet la conversion de sa chaleur pour actionner un turbogénérateur (turbine + générateur) et ainsi produire de l'électricité.
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Doc. 3Compétitivité des RNR-Na
La mise en place d'un RNR-Na implique un surcoût de 30 % d'investissement par rapport à un réacteur à eau classique. L'utilisation des RNR peut être vue comme une méthode pour boucler le cycle du combustible MOX (combustible nucléaire composé d'un mélange de plutonium et d'uranium appauvri). En effet, en France, le plutonium produit dans les REL par traitement du combustible usé (uranium appauvri en 235U) est réutilisé sous forme de MOX.
Après l'utilisation de ces MOX en réacteur, leur traitement présente peu d'intérêt en raison de la composition isotopique du plutonium obtenu qui rend difficile son utilisation ultérieure en REL (baisse de la proportion des isotopes fissiles au profit d'isotopes absorbants). Néanmoins, un RNR, lors de son fonctionnement, rendrait possible la rectification isotopique du plutonium et ainsi son utilisation ultérieure en REL.
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Doc. 4Les isotopes du plutonium
Les caractéristiques physiques nucléaires des isotopes du plutonium sont très différentes. Le rapport de l'efficacité de la fission par rapport à la capture de neutrons de chaque isotope est résumé dans le tableau ci-dessous. Lors de la réaction de fission, tous ces isotopes libèrent des neutrons, pouvant à leur tour provoquer des réactions de fission.
Évolution du potentiel de réactivité du plutonium en multirecyclage RNR provenant de MOX usés.
| Isotope | Rapport fission/capture |
|---|---|
| 238Pu | 0,15 |
| 239Pu | 1,80 |
| 240Pu | 0,01 |
| 241Pu | 2,80 |
| 242Pu | 0,02 |
Évolution du potentiel de réactivité du plutonium en multirecyclage RNR provenant de MOX usés.
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- Les REP (réacteurs à eau pressurisée) et REB (réacteurs à eau bouillante) sont des types de REL (réacteurs à eau légère).
- MOX : combustible mélange d'oxydes.
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Questions
1. Expliquer la raison pour laquelle l'objectif de développement du nucléaire a été renforcé dans les années 1970 en France.
2. Schématiser par une chaîne énergétique les transformations d'énergie ayant lieu dans une centrale nucléaire.
3. Nommer le fluide caloporteur utilisé dans les centrales nucléaires classiques. Expliquer son rôle.
4. Donner un avantage à l'utilisation de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium en expliquant votre choix.
5. Estimer le coût d'uranium naturel à partir duquel les RNR-Na compensent le surcoût à l'investissement de 30 %.
6. Nommer les isotopes du plutonium qui sont les plus à même d'assurer le maintien de la réaction de fission en chaîne dans un réacteur. Justifier.
7. Comparer l'utilisation des différents isotopes du plutonium dans un REL et dans un RNR en exploitant les informations apportées par le doc.4.
8. Expliquer l'intérêt d'un RNR en complément d'un REL du point de vue économique.
2. Schématiser par une chaîne énergétique les transformations d'énergie ayant lieu dans une centrale nucléaire.
3. Nommer le fluide caloporteur utilisé dans les centrales nucléaires classiques. Expliquer son rôle.
4. Donner un avantage à l'utilisation de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium en expliquant votre choix.
5. Estimer le coût d'uranium naturel à partir duquel les RNR-Na compensent le surcoût à l'investissement de 30 %.
6. Nommer les isotopes du plutonium qui sont les plus à même d'assurer le maintien de la réaction de fission en chaîne dans un réacteur. Justifier.
7. Comparer l'utilisation des différents isotopes du plutonium dans un REL et dans un RNR en exploitant les informations apportées par le doc.4.
8. Expliquer l'intérêt d'un RNR en complément d'un REL du point de vue économique.
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