Aurélie 15/02/12
 

 

   Fusion nucléaire : deutérium tritium : concours technicien supérieur de l'industrie et des mines 2010.







L'objectif du projet ITER est de démontrer la possibilité scientifique et technologique de la production d'énergie par la fusion des atomes. La fusion contrôlée représente un défi scientifique et technologique majeur qui pourrait répondre au problème crutial de disposer, à plus ou moins long terme, de nouvelles ressources énergétiques.
A côté de l'énergie de fission, l'énergie de fusion représente l'espoir d'avoir une source d'énergie propre et abondante au cours du XXIeè siècle. A l'heure où la raréfaction des énergies fossiles est prévue d'ici 50 ans, il est d'une importance vitale d'explorer le potentiel de toutes les autres sources d'énergie.
Etude de la réaction de fusion.
Le concept solaire de production d'énergie est basé sur une réaction dont la probabilité de se réaliser est extrêmement faible sur note planète. Mais l'idée reste bonne ! Il suffit de remplacer l'hydrogène par des noyaux qui ont un maximum de chance de fusionner sur terre, en l'occurence, ceux de deutérium et de tritium, deux isotopes de l'hydrogène [...] en les chauffant à des températures très élevées, de l'ordre de 100 millions de degrés. C'est donc sur cette réaction que se concentrent les recherches concernant la fusion controlée.
31H + 21H --> 42He +10n.
On donne :
On donne m(31H) = 3,01550 u ; m(21H) =2,01355 u ; m(42He) = 4,00150 u ; m(10n) = 1,00866 u.
1 u = 1,66054 10-27 kg ; 1 MeV = 1,602 10-13 J ; c = 2,998 108 m /s ; NA = 6,023 1023 mol-1.
Calculer la variation de masse au cours de la réaction de fusion. Donner sa valeur en kg et commenter son signe.
Dm = m(10n) +m(42He) -m(21H) -m(31H)
Dm =4,00150 + 1,00866-3,01550-2,01355 = -1,889 10-2 u.
1,889 10-2 * 1,66054 10-27 = -3,13676 10-29 kg.
La masse est une forme de l'énergie ; le signe négatif traduit le fait que la fusion libère de l'énergie dans le milieu extérieur.

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Déterminer l'énergie ( en MeV) produite par cette réaction de fusion.
E = Dm  c2 = -3,13676 10-29 *( 2,998 108 )2 =-2,81932 10-12 J
-2,81932 10-12  / 1,602 10-13  =-17,60 MeV.



Vérifier que le nombre N de noyaux présents dans 1,0 g de noyaux de deutérium est 3,0 1023 noyaux.
Quantité de matière (mol) de deutérium = masse (g) / masse molaire (g/mol) = 1,0 / 2,0 = 0,5 mol.
Une mole d'atomes contient NA=6,023 1023 atomes.
N = 0,5
NA = 0,5 *6,023 1023  = 3,0 1023 noyaux.
Vérifier qu'il en est de même dans 1,5 g de noyaux de tritium
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Quantité de matière (mol) de tritium = masse (g) / masse molaire (g/mol) = 1,5 / 3,0 = 0,5 mol.
Une mole d'atomes contient NA=6,023 1023 atomes.
N = 0,5
NA = 0,5 *6,023 1023  = 3,0 1023 noyaux.
En déduire l'énergie ( en MeV, en J ) que l'on pourrait espérer obtenir si on réalisait la fusion de 1,0 g de noyaux de deutérium avec 1,5 g de noyaux de tritium dans le réacteur ITER.
17,60 MeV par réaction de fusion ;
17,60 *3,0 1023  = 5,3 1024 MeV = 5,3 1024 * 1,602 10-13  =8,5 1011 J.




La tonne équivalent pétrole ( TEP) est une unité d'énergie utilisée dans l'industrie et en économie. Elle sert à comparer les énergies obtenues à partir de différentes sources.
 1 TEP = 4,2 10 J, énergie libérée en moyenne par une tonne de pétrole.
Calculer ( en TEP) l'énergie libérée par la fusion de 1,0 g de deutérium et 1,5 g de tritium.
8,5 1011 / 4,2 1010 =20,2 TEP.
Dans une centrale nucléaire classique, la fission d'1,0 g d'uranium 235 libère une énergie de 1,8 TEP.
Expliquer en quoi le projet ITER est un progrès et un espoir pour la production d'énergie.
Le projet ITER permet d'obtenir environ 20,2/1,8 ~11 fois plus d'énergie que dans une centrale nucléaire classique.
En outre le deutérium est abondant et il y a moins de déchets radioactifs.
 








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