Physique-chimie · 3ème · L'Univers et la Physique Moderne · 3e Trimestre

Fission et fusion nucléaire

Les élèves comprennent les principes de la fission et de la fusion nucléaire et leurs applications (centrales nucléaires, bombes, recherche).

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• MEN: Cycle 4 - Énergie nucléaire
• MEN: Cycle 4 - Transformations nucléaires

À propos de ce thème

La fission et la fusion nucléaire sont deux processus fondamentaux qui libèrent de l'énergie à partir du noyau atomique, mais par des mécanismes opposés. La fission consiste à briser un noyau lourd (uranium 235, plutonium 239) en noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron, tandis que la fusion assemble des noyaux légers (hydrogène, deutérium) pour former un noyau plus lourd. Ces deux réactions s'accompagnent d'un défaut de masse converti en énergie selon la relation d'Einstein E = mc². En France, la fission alimente les 56 réacteurs du parc nucléaire d'EDF, qui fournissent environ 70 % de l'électricité nationale.

La fusion, processus à l'oeuvre dans les étoiles, fait l'objet du projet international ITER à Cadarache (Bouches-du-Rhône). Les élèves de 3ème doivent distinguer ces deux mécanismes, comprendre la réaction en chaîne et évaluer les enjeux énergétiques et environnementaux. Les approches actives (débats structurés, modélisations avec du matériel concret) permettent aux élèves de confronter leurs représentations sur le nucléaire et de construire un avis éclairé fondé sur des données scientifiques.

Questions clés

1. Distinguez la fission nucléaire de la fusion nucléaire en expliquant leurs mécanismes.
2. Analysez les avantages et inconvénients de l'utilisation de la fission nucléaire pour la production d'énergie.
3. Évaluez les défis technologiques et les perspectives de la fusion nucléaire comme source d'énergie future.

Objectifs d'apprentissage

• Comparer les mécanismes de la fission et de la fusion nucléaire en identifiant les noyaux impliqués et les produits formés.
• Analyser les avantages et les inconvénients de la fission nucléaire pour la production d'électricité en France, en considérant les aspects environnementaux et sécuritaires.
• Évaluer les défis technologiques actuels et les perspectives de la fusion nucléaire comme source d'énergie durable, en citant des exemples de projets de recherche.
• Calculer la quantité d'énergie libérée lors d'une réaction nucléaire simple à partir d'un défaut de masse donné, en utilisant la formule E=mc².

Avant de commencer

Structure de l'atome et isotopes

Pourquoi : Les élèves doivent connaître la composition d'un noyau atomique (protons, neutrons) et la notion d'isotopes pour comprendre les réactions nucléaires.

Conservation de la masse et de l'énergie

Pourquoi : Une compréhension de base de la conservation de la masse et de l'énergie est nécessaire pour saisir le concept de défaut de masse et la formule E=mc².

Vocabulaire clé

Fission nucléaire	Réaction nucléaire où un noyau atomique lourd se divise en noyaux plus légers, sous l'impact d'un neutron, libérant une grande quantité d'énergie et d'autres neutrons.
Fusion nucléaire	Réaction nucléaire où deux noyaux atomiques légers s'assemblent pour former un noyau plus lourd, libérant une énergie encore plus considérable que la fission.
Défaut de masse	Différence entre la masse totale des nucléons avant une réaction nucléaire et la masse du noyau formé après la réaction. Cette masse manquante est convertie en énergie.
Réaction en chaîne	Processus où les neutrons libérés lors d'une fission provoquent d'autres fissions, entraînant une libération d'énergie continue et potentiellement exponentielle.
ITER	Projet international de recherche visant à démontrer la faisabilité scientifique et technologique de la fusion nucléaire comme source d'énergie à grande échelle, situé à Cadarache en France.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

La fusion nucléaire et la fission nucléaire produisent les mêmes déchets radioactifs.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La fission génère des déchets à vie longue (actinides, produits de fission), tandis que la fusion produit principalement de l'hélium et des neutrons qui activent les parois du réacteur, mais sans déchets à haute activité à vie longue. Un débat structuré sur la gestion des déchets aide les élèves à distinguer ces profils de risque.

Idée reçue courante

Une centrale nucléaire peut exploser comme une bombe atomique.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La concentration en uranium 235 dans le combustible d'un réacteur (3 à 5 %) est bien trop faible pour une explosion nucléaire (il faut plus de 80 % pour une bombe). Les accidents nucléaires (Tchernobyl, Fukushima) sont des emballements thermiques ou des explosions chimiques. La modélisation de la réaction en chaîne contrôlée permet de comprendre cette différence.

Idée reçue courante

La fusion nucléaire est déjà maîtrisée et prête à remplacer la fission.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le projet ITER vise à démontrer la faisabilité scientifique d'ici les années 2030, mais la production industrielle d'électricité par fusion reste un défi majeur (confinement du plasma à 150 millions de degrés). Un travail sur une frise chronologique des étapes d'ITER permet de mesurer les défis restants.

Idées d'apprentissage actif

Penser-Partager-Présenter: Fission ou fusion ?

Chaque élève reçoit une fiche décrivant une situation (centrale nucléaire, étoile, bombe H, réacteur ITER). Individuellement, il identifie le type de réaction, puis compare avec son binôme avant une mise en commun. Les désaccords sont discutés en classe entière avec justification.

25 min·Binômes

Galerie marchande: Le parc nucléaire français

Six affiches sont disposées dans la salle, chacune présentant un aspect du nucléaire en France (carte des centrales, cycle du combustible, gestion des déchets, mix énergétique, ITER, démantèlement). Les groupes circulent, prennent des notes et formulent une question par affiche. Une synthèse collective clôt l'activité.

40 min·Petits groupes

Débat scientifique : Le nucléaire dans le mix énergétique

Les élèves sont répartis en quatre équipes défendant chacune une position (pro-fission, pro-fusion, pro-renouvelables, mixte). Chaque équipe prépare trois arguments chiffrés à partir de documents fournis, puis un débat structuré avec modérateur permet de confronter les points de vue.

50 min·Petits groupes

Modélisation : La réaction en chaîne

Les élèves utilisent des dominos ou des allumettes disposés en cascade pour modéliser la réaction en chaîne de la fission. Ils testent différentes configurations (linéaire, ramifiée, contrôlée par espacement) et relient leurs observations au fonctionnement d'un réacteur et au rôle des barres de contrôle.

35 min·Petits groupes

Liens avec le monde réel

• Les ingénieurs dans les centrales nucléaires françaises, comme celle de Flamanville, utilisent les principes de la fission pour produire de l'électricité de manière continue, en gérant les réactions et les déchets radioactifs.
• Les astrophysiciens étudient la fusion nucléaire qui se produit au cœur des étoiles, comme notre Soleil, pour comprendre leur fonctionnement et leur évolution.
• Les chercheurs travaillant sur le projet ITER à Cadarache développent des technologies de pointe pour maîtriser la fusion nucléaire, dans l'espoir de créer une source d'énergie propre et quasi illimitée pour le futur.

Idées d'évaluation

Billet de sortie

Distribuez une fiche avec deux schémas simplifiés : un pour la fission, un pour la fusion. Demandez aux élèves d'identifier chaque schéma, d'écrire une phrase expliquant le processus principal et de nommer une application concrète pour chaque type de réaction.

Question de discussion

Lancez un débat structuré avec la question : 'La fission nucléaire est-elle une solution énergétique viable pour l'avenir de la France ?'. Demandez aux élèves de s'appuyer sur les avantages (production d'énergie bas carbone) et les inconvénients (gestion des déchets, sécurité) pour argumenter leur position.

Vérification rapide

Posez des questions ciblées pendant la leçon : 'Qu'est-ce qui est cassé dans la fission ? Qu'est-ce qui est assemblé dans la fusion ? Quel élément est utilisé dans les réacteurs actuels ? Quel élément est étudié pour la fusion ?'. Observez les réponses des élèves pour évaluer leur compréhension immédiate.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre fission et fusion nucléaire en 3ème ?

La fission brise un noyau lourd en noyaux plus légers sous l'impact d'un neutron, libérant de l'énergie et d'autres neutrons (réaction en chaîne). La fusion assemble des noyaux légers pour former un noyau plus lourd, comme dans les étoiles. Les deux libèrent de l'énergie par conversion de masse (E = mc²), mais leurs conditions et applications diffèrent radicalement.

Comment fonctionne une centrale nucléaire française ?

Les réacteurs à eau pressurisée (REP) utilisent la fission de l'uranium 235. Les neutrons produits entretiennent la réaction en chaîne, contrôlée par des barres absorbantes. La chaleur dégagée chauffe de l'eau sous pression, qui produit de la vapeur dans un circuit secondaire. Cette vapeur entraîne une turbine couplée à un alternateur pour générer de l'électricité.

Qu'est-ce que le projet ITER et où se trouve-t-il ?

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) est un projet international de recherche sur la fusion nucléaire situé à Cadarache, dans les Bouches-du-Rhône. Il réunit 35 pays et vise à démontrer qu'il est possible de produire de l'énergie par fusion de deutérium et de tritium en confinant un plasma à plus de 150 millions de degrés.

Comment utiliser la pédagogie active pour enseigner le nucléaire en 3ème ?

Les débats structurés permettent aux élèves de confronter données scientifiques et opinions sur le nucléaire. La modélisation concrète de la réaction en chaîne (dominos, allumettes) rend visible un processus invisible. Le Galerie marchande sur le parc nucléaire français ancre les notions dans le contexte national et développe l'esprit critique face à un sujet socialement vif.