Résumé : Dans la première partie de l’activité, IL s'agit de montrer en quoi les modes de production d'énergie actuels ne répondent pas aux critères de durabilité et de respect de l'environnement








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Sciences physiques et chimiques

Terminale S

LA FUSION, UNE NOUVELLE VOIE ENERGETIQUE ?



Table des matières


Table des matières 1


Fiche de présentation



Thème : AGIR


Type de ressources : activité documentaire concernant les nouvelles voies énergétiques.


Notions et contenus : enjeux énergétiques - nouvelles chaînes énergétiques.


Compétence travaillée : extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets scientifiques répondant à des problématiques énergétiques contemporaines


Nature de l’activité : activité documentaire.

Cette activité vise à développer l'esprit de synthèse des élèves à travers l'analyse et l'exploitation de divers documents.


Résumé :

Dans la première partie de l’activité, il s'agit de montrer en quoi les modes de production d'énergie actuels ne répondent pas aux critères de durabilité et de respect de l'environnement.

Dans la seconde partie, les élèves seront amenés à exploiter des documents afin d'étudier les potentialités du mélange deutérium/tritium en vue de la production d'énergie par fusion nucléaire.


Mots clefs : énergie, développement durable, fusion nucléaire, ITER.


Académie : Aix-Marseille



Documents mis à disposition des élèves

PARTIE 1 Le contexte énergétique mondial

DOC 1 Réserves mondiales et potentiels de production par type d'énergie


Types d'énergies

Réserves mondiales

(Gtep)

Réserves mondiales estimées

(en années)

Commentaires

Pétrole conventionnel

172

44

Réserves prouvées

Pétrole non conventionnel

410

105

Réserves supposées, à coût d'extraction élevé.

Gaz naturel

185

64




Charbon

578

183




Uranium

30

48*

Réserves prouvées

(*hors technologie de surgénération)

Uranium (supposé)

65

105*

Réserves supposées

(*hors technologie de surgénération)

Hydraulique

2,7*

-

* Potentiel de production par an.

Éolien

8,8*

-

* Potentiel de production par an.

Solaire

92000

-

Potentiel de production annuelle photovoltaïque calculé sur la base de la surface Terrestre et d'un ensoleillement de 1 500 h (rendement=15%). Ne tient pas compte des réserves limitées de silicium pour la fabrication de panneaux.

Voir éventuellement :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Irradiation_solaire

Biomasse

70*

-

* Potentiel de production par an.

Gtep : unité d’énergie qui signifie « Giga tonne d'équivalent pétrole ». Cette unité est basée sur l'énergie libérée lors de la combustion du pétrole.

Source http://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_%C3%A9nerg%C3%A9tiques_mondiales

DOC 2 Émissions de dioxyde de carbone inhérentes aux différentes filières de production d'énergie.


Mode de production

Émission de CO2

en g/kWh

Hydraulique

4

Fission nucléaire

6

Éolien

3 à 22

Photovoltaïque

60 à 150

Cycle combiné à gaz naturel

427

Turbine à combustion à gaz naturel

883

Fuel

891

Charbon

978

(source SFEN d'après les éléments fournis par EDF)

DOC 3 Évolution de la température Terrestre et de la concentration en dioxyde de carbone en fonction du temps.



Source : http://www.crdp-aix-marseille.fr/iter/

PARTIE 2 La fusion nucléaire : une nouvelle voie énergétique pour l'avenir ?

Contrairement à la fission, la fusion nucléaire consiste à former un noyau lourd à partir de noyaux plus légers. Par exemple, la fusion Deutérium-Tritium a pour équation bilan :

21H + 31H  42He + 10 n



Cette réaction produit de l'énergie et peut être exploitée pour produire de l'électricité.

Le projet ITER, mis en oeuvre à Cadarache (région PACA), vise à évaluer la pertinence de cette voie de production d'énergie. Afin de réaliser la fusion nucléaire il faut permettre le rapprochement de noyaux chargés positivement. C'est une difficulté majeure car ils ont tendance à se repousser du fait de leur charge électrique. Pour cela le plasma est chauffé à près de 100 millions de degrés dans une enceinte appelée TOKAMAK.
DOC 4 Probabilité de la fusion des noyaux en fonction de la température pour différentes réactions.



Remarque : la probabilité de la fusion 11H- 11H est trop faible pour pouvoir être représentée sur le graphique

DOC 5 Énergies dégagées pour différentes réactions de fusion .


Réaction

Énergie dégagée (MeV)

21H + 21H  32He + 10 n

3,3

21H + 21H  31H + 11 p

4,0

21H + 31H  42He + 10 n

17,6

31H + 31H  42He +2 10 n

11,3

21H + 32He  42He + 11 p

18,3

Remarque : 1MeV = 1,6022.10-13 J
DOC 6 Abondance naturelle des isotopes de l'hydrogène

Le tableau suivant regroupe les données d'abondance naturelle pour les isotopes de l'hydrogène.


11H

Protium

21H

Deutérium

31H

Tritium


99,985% de l'hydrogène naturel.


0,015% de l'hydrogène naturel.


0% de l'hydrogène naturel.

Le tritium n'est pas stable, c'est un isotope radioactif, dont la demi-vie est de 12,346 années.

Il est cependant possible de le produire par fission

10n + 63Li  31H + 42He



Possibilités d’exploitation

1. Modalités pratiques de mise en œuvre de l’activité :

Elles sont laissées à l'appréciation du professeur, on veillera cependant à réactiver certains pré-requis de première S avant le déroulement de la séance (notions d'isotope et de physique nucléaire élémentaire).

Cette activité, qui peut faire l'objet d'une recherche complémentaire sur Internet, peut être traitée en classe entière en 1,5 h ou à la maison sous la forme d'un devoir. L'argumentation peut prendre diverses formes : argumentation écrite, orale, exposé, ou confection de panneaux. Cette activité peut aussi être l'occasion de mener un travail d'argumentation par petits groupes. Il est par exemple envisageable de traiter l’analyse de l’ensemble des documents au moyen de deux questions de synthèse.

2. Questions de synthèse proposées :

Question concernant la partie 1 :

« A l'aide des documents fournis et de vos connaissances personnelles, montrez en quoi la production d'énergie constitue un des enjeux majeurs pour le XXI ème siècle. »

Quelques étapes-clés dans l'argumentation des élèves :

  • Discuter de la fiabilité des sources et des hypothèses retenues pour estimer les réserves énergétiques.

Comparer les réserves mondiales et identifier les énergies renouvelables. (DOC 1)

  • Comparer la masse de dioxyde de carbone émise selon le mode de production d'énergie. (DOC 2)

  • Mettre en évidence la corrélation entre la température terrestre et la concentration de l'atmosphère en dioxyde de carbone. (DOC 3)

  • Montrer qu'en dépit des réserves disponibles, la combustion du charbon ou du pétrole ne constitue pas un mode de production énergétique souhaitable pour l'environnement. (DOC 1, 2, 3)

  • Montrer pourquoi une alternative à la fission nucléaire doit être envisagée dans l'avenir. Évoquer la question de la problématique des déchets nucléaires.

Effectuer une recherche complémentaire sur ce qu'est la surgénération nucléaire.

Question concernant la partie 2 :

« A l'aide des documents présentés, expliquer pourquoi la réaction de fusion privilégiée dans le projet ITER pour l'étude de la production d'énergie concerne le mélange deutérium - tritium (21H - 31H). »

Quelques étapes-clés dans l'argumentation des élèves :

  • Comparer la probabilité des réactions de fusions dans le domaine de température souhaité. (DOC 4)

  • Montrer l'intérêt de cette réaction de fusion en termes d'énergie délivrée. (DOC 5)

  • Les réactifs de cette fusion sont-ils tous naturellement présents sur Terre ? (DOC 6)

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