Sous-marin

[entropik]

Bonsoir,
J'ai entendu dire que les sous-marins en plongée se fournissaient en oxygène par électrolyse de l'eau, relachant ensuite l'hydrogène dans la mer. Alors je me suis demandé: pourquoi n'utilises-t-on pas le même système que les poissons c'est-à-dire récupérer l'oxygène dissous dans l'eau? On ne parvient pas à imiter ce système avec un tel rendement?

[entropik]

Je parie que la réponse est toute simple parce-que ça doit être la première chose à laquelle on a pensé. Je suppose qu'il n'y a pas assez d'oxygène dissous aux alentours d'un sous-marin pour approvisionner tout un équipage.

[Dominique Lefebvre]

Je parie que la réponse est toute simple parce-que ça doit être la première chose à laquelle on a pensé. Je suppose qu'il n'y a pas assez d'oxygène dissous aux alentours d'un sous-marin pour approvisionner tout un équipage.

Je ne crois pas! En faisant circuler l'eau on devrait pouvoir trouver suffisement d'oxygène!

La réponse me semble plus triviale ! Un sous-marin nucléaire (le pb ne se pose pas dans les sous-marins classiques) dispose d'une débauche d'électricité et donc la solution de l'électrolyse est la plus immédiate, la plus simple et la plus facile à mettre en oeuvre.

[entropik]

Ah bon, et si le problème ne se pose pas avec les sous-marins classique c'est bien parce-qu'ils sont de toute façon obligés de se réapprovisionner souvent en carburant et donc l'apport d'oxgène se fait à ce moment.
Mais concernant les nucléaires j'ai une question: quels sont les matériaux qui absorbent les neutrons et comment se fait-ils qu'ils les absorbent si bien sans réagir?
En fait dès que l'uranium est assez enrichis, il est susceptible de réagir avec les neutrons de l'atmosphère donc dès qu'il sort de la centrifugeuse le combustible nucléaire doit être bien isolé. Comment fait-on pour être sûr qu'il n'y ai pas un petit neutron qui passe lors du transfert de la centrifugeuse au véhicule de transport?

[Dominique Lefebvre]

Ah bon, et si le problème ne se pose pas avec les sous-marins classique c'est bien parce-qu'ils sont de toute façon obligés de se réapprovisionner souvent en carburant et donc l'apport d'oxgène se fait à ce moment.

le moteur diesel d'un sous-marin classique a besoin de bien plus d'oxugène que l'équipage.... D'autant que l'autonomie des moteurs électriques est faible! Donc on fait souvent surfacepour alimenter en oxygène le motuer et l'équiapge par la même..

Mais concernant les nucléaires j'ai une question: quels sont les matériaux qui absorbent les neutrons et comment se fait-ils qu'ils les absorbent si bien sans réagir?

Ce sont les mêmes que dans un réacteur civil. Mais l'agencement des sm nuc est pensé de telle sorte que la structure participe à la protection de l'équipage contre les radiations.
Je ne comprends pas le sens de ta dernière phrase!

En fait dès que l'uranium est assez enrichis, il est susceptible de réagir avec les neutrons de l'atmosphère donc dès qu'il sort de la centrifugeuse le combustible nucléaire doit être bien isolé. Comment fait-on pour être sûr qu'il n'y ai pas un petit neutron qui passe lors du transfert de la centrifugeuse au véhicule de transport?

Tu rigoles!! l'uranium enrichi n'est pas de la nitroglycérine :ptdr: :ptdr: :ptdr: La réaction en chaîne ne se déclenche pas au premier neutron qui traine! il faut des conditions bien spécifiques!

[entropik]

Ce sont les mêmes que dans un réacteur civil. Mais l'agencement des sm nuc est pensé de telle sorte que la structure participe à la protection de l'équipage contre les radiations.
Je ne comprends pas le sens de ta dernière phrase!

Je voulais parler des plaques spéciales qu'on insère dans le réacteur nucléaire pour augmenter ou diminuer les réactions en chaîne. De quoi ces plaques sont-elles faites? et comment "font"-elles pour absorber les neutrons issus de la réaction sans que leurs atomes ne deviennent instables?

Tu rigoles!! l'uranium enrichi n'est pas de la nitroglycérine :ptdr: :ptdr: :ptdr: La réaction en chaîne ne se déclenche pas au premier neutron qui traine! il faut des conditions bien spécifiques!

Ah y me semblait bien, j'me disais aussi que ça serait compliqué mais bon on sait jamais. Mais quelles sont ces conditions spécifiques?

[Dominique Lefebvre]

Je voulais parler des plaques spéciales qu'on insère dans le réacteur nucléaire pour augmenter ou diminuer les réactions en chaîne. De quoi ces plaques sont-elles faites? et comment "font"-elles pour absorber les neutrons issus de la réaction sans que leurs atomes ne deviennent instables?



Ah y me semblait bien, j'me disais aussi que ça serait compliqué mais bon on sait jamais. Mais quelles sont ces conditions spécifiques?

L'interaction neutron-matière peut prendre plusieurs formes: le neutron peut être diffusé ou absorbé. L'absorption peut être une capture simple (l'atome acquière de l'énergie, sans plus) ou conduire à une fission (dite fission induite). Dans ce dernier cas, l'atome se décompose en deux noyaux plus légers et produire des neutrons et aussi de l'énergie...

Ces différents types d'interactions sont déterminés par ce qu'on appelle la section efficace de diffusion ou d'absoprtion (unité le barn...). C'est une mesure statistique qui dépend du nombre de neutrons, de leur vitesse (on dit aussi de leur température) et de la surface de la cible (des noyaux que les neutrons bombardent). La fission a lieu si et seulement si la section efficace est convenable, ce qui dépend de l'énergie des neutrons et de la géométrie de la cible... Bref, c'est pas simple. Pour te donner un ordre de grandeur, pour des neutrons de 10 keV, la section efficace est de 10 barns (c'est un ordre de grandeur, de mémoire!).

Pour résumer, il y a fission que dans des conditions bien particulières, si les neutrons ne sont ni trop rapides, ni trop lents et si la géométrie s'y prête.

Enfin, pour répondre à ta question concernant les barres de contrôle (même si ce sont des pluaques, on parle de barres par habitude), elles sont constituées d'absorbants :cadmium, hafnium (sous forme de diborure d'hafnium) et bore dans des proportions précises. Il se trouve que ces noyaux adorent les neutrons...

[entropik]

Ces différents types d'interactions sont déterminés par ce qu'on appelle la section efficace de diffusion ou d'absoprtion (unité le barn...). C'est une mesure statistique qui dépend du nombre de neutrons, de leur vitesse (on dit aussi de leur température) et de la surface de la cible (des noyaux que les neutrons bombardent). La fission a lieu si et seulement si la section efficace est convenable, ce qui dépend de l'énergie des neutrons et de la géométrie de la cible... Bref, c'est pas simple. Pour te donner un ordre de grandeur, pour des neutrons de 10 keV, la section efficace est de 10 barns (c'est un ordre de grandeur, de mémoire!).

Pour résumer, il y a fission que dans des conditions bien particulières, si les neutrons ne sont ni trop rapides, ni trop lents et si la géométrie s'y prête.

Mais quelles techniques utilises-t-on pour contrôler le nombre et la vitesse des neutrons et faire en sorte qu'il interagissent avec l'uranium quand on le veut en tenant compte de sa géométrie? J'ai entendu parler de "canon à neutrons" mais j'ai du mal à imaginer comment on a pu concevoir un tel dispositif

[Dominique Lefebvre]

Mais quelles techniques utilises-t-on pour contrôler le nombre et la vitesse des neutrons et faire en sorte qu'il interagissent avec l'uranium quand on le veut en tenant compte de sa géométrie?

C'est le rôle des barres de contrôle, qui sont un ensemble de barres de matériaux absorbeurs de neutrons qu'on (le pilote du réacteur) insère plus ou moins entre les barres de combustibles. On contrôle ainsi la population de neutrons et donc la réaction de fission.

J'ai entendu parler de "canon à neutrons" mais j'ai du mal à imaginer comment on a pu concevoir un tel dispositif

Il existe effectivement un type de réacteur encore expérimental, qui ne produit pas intrinsèquement suffisament de neutrons. On injecte donc des neutrons à la bonne vitesse dans le coeur pour provoquer la fission. Ces neutrons sont produits par un accélérateur.
Ce dispositif permet une sécurité maximum car le contrôle de la fission est alors actif : si l'on n'injecte plus de neutrons le réacteur s'arrête. Il ne risque pas de s'emballer!

[entropik]

C'est le rôle des barres de contrôle, qui sont un ensemble de barres de matériaux absorbeurs de neutrons qu'on (le pilote du réacteur) insère plus ou moins entre les barres de combustibles. On contrôle ainsi la population de neutrons et donc la réaction de fission.

Oui mais les barres de contrôles on ne les insère que quand la réaction a débutée non? Comment fait-on pour commencer la réaction une fois que le combustible nucléaire est en place?

Il existe effectivement un type de réacteur encore expérimental, qui ne produit pas intrinsèquement suffisament de neutrons. On injecte donc des neutrons à la bonne vitesse dans le coeur pour provoquer la fission. Ces neutrons sont produits par un accélérateur.
Ce dispositif permet une sécurité maximum car le contrôle de la fission est alors actif : si l'on n'injecte plus de neutrons le réacteur s'arrête. Il ne risque pas de s'emballer!

Donc ici le réacteur a été conçu de sorte que la réaction une fois lancée ne s'auto-entretienne pas bien pour qu'on puisse la contrôler au mieux avec un canon? Cela veut dire qu'ils ont employé d'autres matériaux et utilisés une géométrie différente des réacteurs classiques pour le concevoir? Mais un accélérateur ça prend beaucoup de place donc ce système n'est pas possible dans un sous-marin, si?

[Dominique Lefebvre]

Oui mais les barres de contrôles on ne les insère que quand la réaction a débutée non? Comment fait-on pour commencer la réaction une fois que le combustible nucléaire est en place?

On charge le combustible avec les barres de contrôles descendues. Celles-ci absorbent les neutrons (c'est leur boulot) et donc la réaction en chaîne n'est pas assurée. Pour faire diverger le réacteur (le faire démarrer) on monte doucement les barres de contrôles pour que le rapport nombre de neutrons produits/ absorbés soit > 1. Et voilà, c'est partie! Le pilotage du réacteur consiste à maintenir ce rapport constant et égal à la puissance désirée.

Donc ici le réacteur a été conçu de sorte que la réaction une fois lancée ne s'auto-entretienne pas bien pour qu'on puisse la contrôler au mieux avec un canon? Cela veut dire qu'ils ont employé d'autres matériaux et utilisés une géométrie différente des réacteurs classiques pour le concevoir? Mais un accélérateur ça prend beaucoup de place donc ce système n'est pas possible dans un sous-marin, si?

Oui sa géométrie et sa technologie sont un peu différentes (plus de barres de contrôle mais il reste les barres de sécurité- je ne suis pas très sur pour ce dernier point). Les matériaux sont identiques.
En tous les cas, cette techno. n'est pas encore utilisée dans les chaudières de propulsion (PA et sous-marins).Je ne les connais donc pas très bien...

[entropik]

Ah d'accord, en fait ce que je n'avais pas compris c'est que le combustible émet de lui-même des neutrons. Je pensais que lorsqu'on enrichissait l'uranium, il atteignait un état à la limite de l'instable et qu'il lui fallait quand même des neutrons extérieurs pour se désintégrer. Mais visiblement ses atomes commencent déjà à se désintégrer lorsqu'on le sort de la centrifugeuse.

Une autre question tant que j'y suis: je suppose qu'on utilise le même genre de matériau que celui des barres de contrôle pour isoler les déchets radioactifs. J'imagine alors que ces matériaux n'absorbent pas les neutrons avec le même rendement éternellement. Il y a bien un moment où ils finissent par être saturés et n'empêchent plus les réactions de se produire non? Mais je suppose qu'à ce moment, on a calculé qu'il ne pouvait plus se produire de réaction importante et que les radiations ne sont plus très dangereuses.

[entropik]

Et si je peux me permettre, ici aussi j'aimerais être sûr d'avoir compris. Est-ce lors de l'enrichissement dans la centrifugeuse que le combustible commence à libérer des neutrons? Je pensais que la seule source de neutrons libres sur terre était due aux rayons cosmiques venant briser les atomes de l'atmosphère. Mais je ne sais pas ce qui se passe au juste dans une centrifugeuse. J'imagine que le fait de faire tourner la matière permet de trier les éléments plus lourds des plus légers.

[Dominique Lefebvre]

Et si je peux me permettre, ici aussi j'aimerais être sûr d'avoir compris. Est-ce lors de l'enrichissement dans la centrifugeuse que le combustible commence à libérer des neutrons? Je pensais que la seule source de neutrons libres sur terre était due aux rayons cosmiques venant briser les atomes de l'atmosphère.

la fission d'un atome d'uranium 235, sous l'impact d'un neutron, produit un atome de strontium, un de xénon et 3 neutrons...
Il existe de l'U235 à l'état naturel, très très peu mais quand même... Et le noyau d'uranium 235 est instable, il fissionne donc naturellement, très peu mais quand même..

Mais je ne sais pas ce qui se passe au juste dans une centrifugeuse. J'imagine que le fait de faire tourner la matière permet de trier les éléments plus lourds des plus légers.

l'U235 est mélangé à l'U238 dans les minerais d'uranium. Il y a très peu d'U235 par rapport à U238. Le principe de la centrifugation est de profiter de la faible différence de masse entre les deux isotopes pour les séparer dans un très fort gradient gravitationnel (la centrifugeuse).

[entropik]

Pourriez-vous m'éclairer sur l'avenir des déchets radioactifs?
Je suppose qu'on utilise le même genre de matériau que celui des barres de contrôle pour isoler les déchets radioactifs. J'imagine alors que ces matériaux n'absorbent pas les neutrons avec le même rendement éternellement. Il y a bien un moment où ils finissent par être saturés et n'empêchent plus les réactions de se produire non? Mais je suppose qu'à ce moment, on a calculé qu'il ne pouvait plus se produire de réaction importante et que les radiations ne sont plus très dangereuses.

Et si j'ai bien compris, dans les réacteurs nucléaires classiques (qui n'utilisent pas d'accélérateur), le seul paramètre sur lequel on peut influer est la température. Mais au fait peut-on influer sur la géométrie de la cible avec ces réacteurs qui emploient un accélérateur? Je suppose que non ou alors indirectement avec la température.
Donc le principal paramètre qui fait qu'une réaction en chaîne ne se déclenche pas dans la centrifugeuse, c'est la température?
Ainsi on ne se sert pas (comme je le croyais) des neutrons naturellement générés dans l'atmosphère pour initier une réaction en chaîne mais on augmente la vitesse des neutrons naturellement libérés par l'U235 concentré en les chauffant.

Comme dans les générateurs de centrales électriques où il faut bien alimenter en électricité les électroaimants pour créer un courant d'une intensité suffisante (ce ne serait pas rentable avec des aimants naturels), il faut donner de l'énergie au système d'une centrale nucléaire pour que celle-ci se mette en marche.
Cela me fait penser à une autre question: il y a-t-il une limite au stockage de l'énergie sous forme chimique? Peut-on concevoir des piles géantes aussi efficientes que nos petites piles usuelles?
Lorsqu'une centrale électrique produit plus d'électricité qu'il n'en faut, peut-on la transformer pour stocker l'énergie dans des piles géantes? En tout cas il faut bien avoir toujours un petit stock d'énergie sous la main pour pouvoir alimenter les électro-aimants et chauffer l'uranium.

[Dominique Lefebvre]

Pourriez-vous m'éclairer sur l'avenir des déchets radioactifs?
Je suppose qu'on utilise le même genre de matériau que celui des barres de contrôle pour isoler les déchets radioactifs.

Non heureusement! La tenue mécanique et l'inertie chimique des allaiges de bore est très mauvaise dans le temps! Pour stocker les déchets actifs de longue période on utilise des techniques de vitrification. On emprisonne les atomes dans une matrice de verre, stable dans le temps et inerte chimiquement (en principe...)

J'imagine alors que ces matériaux n'absorbent pas les neutrons avec le même rendement éternellement. Il y a bien un moment où ils finissent par être saturés et n'empêchent plus les réactions de se produire non? Mais je suppose qu'à ce moment, on a calculé qu'il ne pouvait plus se produire de réaction importante et que les radiations ne sont plus très dangereuses.

On s'arrange pour que la masse de déchets stockés dans le même contenant soit très inférieur à la masse critique! L'activité des matériels radioactifs décroît, doucement! Et cette activité a pour conséquence que les contenants et le contenu chauffent, ce qui est un problème qu'il faut traiter pour organiser les stockages.

Et si j'ai bien compris, dans les réacteurs nucléaires classiques (qui n'utilisent pas d'accélérateur), le seul paramètre sur lequel on peut influer est la température. Mais au fait peut-on influer sur la géométrie de la cible avec ces réacteurs qui emploient un accélérateur? Je suppose que non ou alors indirectement avec la température.

Les barres de contrôle régulent le flux de neutrons, pas la température... Celle-ci est régulée indirectement.
Je ne comprend pas ta question concernant la géométrie? Dans les réacteurs classiques, on n'influe pas sur la géométrie..

Donc le principal paramètre qui fait qu'une réaction en chaîne ne se déclenche pas dans la centrifugeuse, c'est la température?
(/QUOTE]
Non pas du tout, pour qu'une réaction de fission en chaîne se déclenche, il faut que la section efficace du flux de neutrons soit atteinte. Et cela nécessite des conditions très particulières de géométrie, de densité de combustible et d'enrichissement du combustible.

Ainsi on ne se sert pas (comme je le croyais) des neutrons naturellement générés dans l'atmosphère pour initier une réaction en chaîne mais on augmente la vitesse des neutrons naturellement libérés par l'U235 concentré en les chauffant.

Ni l'un ni l'autre... On s'arrange à disposer le combustible adéquate de telle sorte que le flux de neutrons provenant des désintégration naturelles provoque la divergence (le démarrage de la réaction en chaîne).

Comme dans les générateurs de centrales électriques où il faut bien alimenter en électricité les électroaimants pour créer un courant d'une intensité suffisante (ce ne serait pas rentable avec des aimants naturels), il faut donner de l'énergie au système d'une centrale nucléaire pour que celle-ci se mette en marche.

Fondamentalement, non. Une réaction en chaîne démarre lorsque la section efficace est atteinte. Mais pratiquement, les systèmes de contrôle/commande d'une centrale pompent beaucoup de courant...

Cela me fait penser à une autre question: il y a-t-il une limite au stockage de l'énergie sous forme chimique? Peut-on concevoir des piles géantes aussi efficientes que nos petites piles usuelles?

Pourquoi pas! le seul hic, c'est qu'elles ne sont pas aussi efficientes que ça, nos piles Duracell!

Lorsqu'une centrale électrique produit plus d'électricité qu'il n'en faut, peut-on la transformer pour stocker l'énergie dans des piles géantes? En tout cas il faut bien avoir toujours un petit stock d'énergie sous la main pour pouvoir alimenter les électro-aimants et chauffer l'uranium.

Dans des batterires, oui, mais dans des piles, certainement pas!
On utilise des systèmes électriques indépendants (générateurs diesel, accumulateurs) pour alimenter les systèmes vitaux (pompes du primaire, contrôle des barres, circuit de refroidissement du secondaire) et de secours (incendie, contrôle/commande).
Et tu sais, il n'est nul besoin de chauffer l'uranium! La température du combustible est de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, voire du millier de degrés selon les technlogies..

[entropik]

Merci pour toutes ces précisions, je comprend mieux maintenant.

Les barres de contrôle régulent le flux de neutrons, pas la température... Celle-ci est régulée indirectement.
Je ne comprend pas ta question concernant la géométrie? Dans les réacteurs classiques, on n'influe pas sur la géométrie..

Je voulais juste en être sûr.

Ni l'un ni l'autre... On s'arrange à disposer le combustible adéquate de telle sorte que le flux de neutrons provenant des désintégration naturelles provoque la divergence (le démarrage de la réaction en chaîne).

Ah bon. Alors on peut dire qu'on fait appel à la géométrie pour agencer les molécules d'uranium non?

Dans des batterires, oui, mais dans des piles, certainement pas!
On utilise des systèmes électriques indépendants (générateurs diesel, accumulateurs) pour alimenter les systèmes vitaux (pompes du primaire, contrôle des barres, circuit de refroidissement du secondaire) et de secours (incendie, contrôle/commande).
Et tu sais, il n'est nul besoin de chauffer l'uranium! La température du combustible est de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, voire du millier de degrés selon les technlogies..

De nouveau, pardonnez mon ignorance mais pourriez-vous me spécifier les différences entre pile, batterie et accumulateur?
Ah c'est bien ce que je redoutais, on doit quand même créer de l'énergie à l'aide d'hydrocarbures pour alimenter les centrales nucléaires.

[Dominique Lefebvre]

Ah bon. Alors on peut dire qu'on fait appel à la géométrie pour agencer les molécules d'uranium non?

La géométrie a en effet une certaine importance. Il suffit de comprendre que le principe consiste à faire en sorte qu'une quantité suffisante de neutrons frappent chaque atome (pas molécule) d'uranium au lieu d'aller se perdre dans la nature. La notion de section efficace recouvre ce principe. Or faire en sorte de bien canaliser le flux de neutron produit par chaque fission pour en pas en perdre, ça se traite en partie par la géométrie.

De nouveau, pardonnez mon ignorance mais pourriez-vous me spécifier les différences entre pile, batterie et accumulateur?

Ton ignorance est pardonnée, mais je suis surpris! On apprend cela dans le secondaire, il me semble..

Pour faire court, l'électrochimie de la pile est irréversible. La réaction chimique produit de l'électricté mais on ne peut pas renverser la réaction en injectant de l'électricité dans la pile.
L'électrochimie d'une batterie (d'un accumulateur, c'est la même chose) est réversible. Lorsque la réaction chimique est épuisée dans un sens (la batterie est vide) alors tu injectes de l'électricité (tu recharges la batterie) et la réaction chimique s'inverse, c'est à dire stocke de l'énergie. Mais attention, il y a des pertes (les électrodes s'usent) et le mécanisme ne peut se répéter éternellement!

Ah c'est bien ce que je redoutais, on doit quand même créer de l'énergie à l'aide d'hydrocarbures pour alimenter les centrales nucléaires.

N'exagérons pas! Il ne s'agit pas d'alimenter les centrales avec du pétrole! Il s'agit juste de disposer d'une source d'énergie autonome en cas d'incident ou d'accident. Cette disposition est d'ailleurs prise dans tous les grands systèmes complexes, qui sont tous dépendants de leur alimentation électrique.

[entropik]

Ton ignorance est pardonnée, mais je suis surpris! On apprend cela dans le secondaire, il me semble..

Oui, c'est là encore que je regrette d'avoir choisis un programme faible en sciences fondamentales, je ne me rendais pas compte qu'on y reléguait les plus mauvais profs. C'est vraiment à proscrire: les élèves, comme les profs n'en veulent pas; tout le monde travaille par obligation et se contente du strict minimum. Et pourtant, j'étais dans une école réputée pour ma ville.

Pour faire court, l'électrochimie de la pile est irréversible. La réaction chimique produit de l'électricté mais on ne peut pas renverser la réaction en injectant de l'électricité dans la pile.
L'électrochimie d'une batterie (d'un accumulateur, c'est la même chose) est réversible. Lorsque la réaction chimique est épuisée dans un sens (la batterie est vide) alors tu injectes de l'électricité (tu recharges la batterie) et la réaction chimique s'inverse, c'est à dire stocke de l'énergie. Mais attention, il y a des pertes (les électrodes s'usent) et le mécanisme ne peut se répéter éternellement!

Mais pourtant il existe des piles rechargeables, on devrait donc les appeler batteries pour être précis

[Dominique Lefebvre]

Mais pourtant il existe des piles rechargeables, on devrait donc les appeler batteries pour être précis

Et bien non, ce sont des batteries! On dit d'ailleurs plus souvent accumulateurs... Les piles rechargeables n'existent pas! C'est une appellation marketing utilisée par des gens qui ne connaissent rien à la physique.Mais on leur pardonnera...
Sais-tu qu'il peut même être risqué d'essayer de recharger une pile: tu risques de la faire exploser!