Annabelle et un futur nucléaire vert

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Annales corrigées
Classe(s) : 1re ES - 1re L | Thème(s) : Utilisation de l’énergie et optimisation de sa gestion - Utilisation de l'énergie et optimisation de sa gestion
Type : Partie 2 | Année : 2015 | Académie : France métropolitaine
Corpus Corpus 1
Annabelle et un futur nucléaire vert

France métropolitaine 2015 • Partie 2

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Sujet complet

2

CORRIGE

France métropolitaine • Juin 2015

Le défi énergétique • 6 points

Le saut démographique mondial (7 milliards d’habitants en juin 2011, plus de 9 milliards à l’horizon 2050), couplé au fort développement des pays en voie de développement va se traduire par une augmentation de la consommation d’énergie mondiale (estimée au double de la consommation actuelle). Face à la demande, chercheurs et ingénieurs travaillent à d’autres solutions.

 Document 1 Des cellules pas comme les autres…

Les cellules solaires traditionnelles convertissent la lumière en électricité en exploitant l’effet photovoltaïque.

Un professeur de l’université de Tokyo a mis au point des cellules photovoltaïques capables de stocker l’électricité. Il en a fait des objets de décoration.

Une cellule solaire nommée « Annabelle », du nom d’une variété d’hortensia, ressemble à un tableau (photographie ci-après) représentant cette fleur dont les pétales bleuissent au soleil. Au-delà de ce changement de couleur, cette cellule est également capable de stocker de l’énergie, et permet de recharger deux fois un téléphone portable. Une fois que la cellule est vidée de son énergie, les pétales bleus des motifs floraux de la cellule-tableau deviennent blancs.

D’après Les techniques de l’ingénieur, Vite s’informer, 21 août 2014

Cellule solaire japonaise « hortensia »

 
 Document 2 Le thorium, futur nucléaire vert ?

Tout comme l’uranium 238 () dont il est la seule alternative, le thorium est parfois considéré comme l’avenir du nucléaire.

À Grenoble, les chercheurs du LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie) travaillent sur un réacteur à sels fondus fonctionnant au thorium, le « molten salt fast reactor ».

Infiniment plus abondant dans la nature que l’uranium 235 fissile usuellement utilisé, le thorium peut être transformé par une suite de réactions nucléaires, en uranium 233 également fissile. D’où l’idée de développer des réacteurs surgénérateurs fonctionnant au thorium, « ce qui résoudrait tous les problèmes de ressources énergétiques pour les 10 siècles à venir », indique Elsa Merle-Lucotte, enseignante à Grenoble et chercheuse au LPSC.

« Enfin, les réacteurs au thorium réduiraient naturellement la production de déchets à vie longue. Les déchets produits par les réacteurs au thorium sont radioactifs pendant 10 à 15 ans seulement dans leur grande majorité, et seule une fraction de 0,01 % est radioactive durant des milliers d’années. »

D’après Grenoble IN’Press, Institut polytechnique de Grenoble

>1. a) Indiquez si la ressource énergétique utilisée par les cellules solaires est renouvelable ou non renouvelable. Justifiez brièvement la réponse.

b) Recopiez sur votre copie la chaîne énergétique ci-dessous correspondant à la production d’électricité par une cellule photovoltaïque classique.

Complétez-la en précisant dans les rectangles la nature des énergies mises en jeu.


 

c) L’énergie moyenne stockée par un téléphone portable chargé à 100 % est de 20 Wh. Certaines applications gourmandes en énergie nécessitent une puissance de 2 W. Calculez la durée d’utilisation du portable dans ces conditions. Justifiez.

d) Calculez l’énergie qu’une cellule solaire « Annabelle » est capable de stocker. Justifiez.

>2. Le document 2 propose un autre combustible fissile que l’uranium pour les centrales nucléaires.

a) L’uranium 238, l’uranium 235 et l’uranium 233 sont des isotopes.

Définissez le terme « isotope ».

b) Une suite de réactions nucléaires élémentaires permet de faire passer du thorium 232 à une forme fissile de l’uranium. La première de ces réactions correspond à l’équation de réaction ci-après.

est le symbole du neutron.

Déterminez les valeurs de A et Z. Justifiez.

c) Citez un des avantages majeurs que présente l’utilisation du thorium 232.

d) Indiquez si l’expression « futur nucléaire vert » est appropriée. Expliquez brièvement.

Les clés du sujet

Interpréter les questions

  • La question 1a vous interroge sur l’aspect renouvelable ou non d’une ressource énergétique citée dans le document 1. Il faut justifier.
  • La question 1b porte sur les diagrammes énergétiques.
  • Dans la question 1c, vous devez calculer un temps en connaissant l’énergie et la puissance électrique.
  • La question 1d vous demande de calculer une énergie stockée, mais à partir des informations données dans le document 1 et la question 1c, et non par une formule.
  • La question 2a vous interroge sur une définition vue en classe.
  • La question 2b fait appel, encore une fois, à vos connaissances sur les lois de conservation dans les réactions nucléaires.
  • La question 2c vous demande de chercher l’avantage d’un combustible nucléaire, à extraire du document 2.
  • La question 2d demande de justifier le titre du document 2. Il s’agit d’une courte rédaction.

Comprendre les documents

  • Le premier document informe sur une cellule photovoltaïque appelée « Annabelle », capable de stocker l’électricité. Ce document ne présente pas de difficulté.
  • Le document 2 explique le fonctionnement d’un réacteur au thorium et qui produit extrêmement peu de déchets radioactifs d’une longue durée de vie.

Organiser les réponses

Toutes les questions demandent des réponses courtes, même si vous devez donner quelques explications.

  • Les deux premières questions de la question 1 font appel à vos connaissances. Utilisez la formule donnant l’énergie électrique en fonction de la puissance avant d’effectuer le calcul du temps pour répondre à la question 1c. Utilisez l’information donnée par la question précédente et le document 1 pour répondre à la question 1d.
  • Les deux premières questions de la question 2 font, elles aussi, appel à vos connaissances : vous devez connaître les définitions du cours et les lois de conservation. Pour répondre aux deux dernières questions, utilisez les informations du document 2 sur le thorium qui, certes, présente une qualité non négligeable.
Corrigé
Corrigé

>1. a) La ressource énergétique utilisée par la cellule est le Soleil. L’énergie rayonnante du Soleil étant inépuisable, cette ressource est donc renouvelable.

b)


 

c) L’énergie et la puissance électrique sont liées par la relation suivante :

E = P×t D’où : t= E/P = 20/2 = 10 h

La durée d’utilisation du portable est de 10 heures.

d) D’après le document 2, « Annabelle » peut stocker l’énergie capable de charger deux téléphones portables. Un téléphone portable chargé contient E = 20 Wh. L’énergie stockée par « Annabelle » sera donc 20×2 = 40 Wh.

>2. a) Deux ou plusieurs noyaux sont isotopes s’ils contiennent le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents.

b) Lors d’une réaction nucléaire, il y a conservation du nombre de charge (Z) et du nombre de nucléons (A).

Nous pouvons donc écrire : 232 + 1 = A, d’où A = 233 et 90 + 0 =90 = Z

c) L’un des avantages majeurs de l’utilisation du thorium 232 est sa production de déchets radioactifs à vie courte (10 à 15 ans).

d) D’après le document 2, le thorium est un combustible qui laisse des déchets radioactifs de courte durée de vie. Ceci pourrait permettre l’utilisation du qualificatif « nucléaire vert » en ce qui le concerne, car il est moins polluant.