Centrale Physique 2 PC 2010

Thème de l'épreuve Quelques situations physiques liées aux explosions nucléaires
Principaux outils utilisés diffusion, électronique, électrostatique, magnétostatique
Mots clefs séparation isotopique par diffusion gazeuse, explosion nucléaire, protection par blindage, réaction de fission, diffusion gazeuse, fonction de transfert, champ électrostatique, champ magnétique, induction, bobine, vecteur de Poynting

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Concours Centrale - Supélec 2010 Épreuve : PHYSIQUE II Filière PC PHYSIQUE II Filière PC PHYSIQUE II Calculatrices autorisées. Quelques situations physiques liées aux explosions nucléaires Les recherches sur le noyau d'uranium ont mis en évidence le phénomène de fission nucléaire en 1939 ; ces travaux ont trouvé leur première application lors de l'explosion de la bombe d'Hiroshima, le 6 août 1945. Il va de soi que l'invention de la « bombe atomique » n'est peut-être pas le plus grand progrès de l'Humanité. Mais en l'état actuel des choses, cette arme existe, et il est souhaitable d'en aborder l'aspect physique pour mieux en saisir les tenants et aboutissants scientifiques. Ce problème comporte quatre parties totalement indépendantes. On rappelle par ailleurs les expressions d'analyse vectorielle : · En coordonnées sphériques : 1 2 f f (r) = ----2- ----- r ------ r r r · En coordonnées cylindriques : 1 f f (r) = --- ----- r ------ r r r U U 1 ( rU ) U r 1 U z U rot ( U ) = --- ---------- ­ ---------- e r + ---------r- ­ ---------z- e + --- ----------------- ­ ---------- e z r z r r z r Partie I - La désintégration de l'uranium 235 L'élément uranium se présente essentiellement sous la forme de deux isotopes ; 238 le plus répandu à l'état naturel, U , possède 92 protons et 146 neutrons ; 235 235 l'autre isotope est U dit isotope « fissile ». Lorsqu'un noyau U est heurté par un neutron (noté n ), il peut « fissionner », suivant la réaction suivante : 235 U 92 + n X + Y + plusieurs neutrons + énergie, où X et Y sont deux noyaux le plus souvent radioactifs. 235 Le nombre moyen de neutrons émis dans la désintégration d'un noyau d' U est 2, 5 . On voit ainsi la possibilité d'une réaction en chaîne, utilisable de manière contrôlée dans une centrale nucléaire, ou de manière explosive dans 235 une bombe. L'énergie libérée par la désintégration d'un noyau d' U est en Concours Centrale-Supélec 2010 1/11 PHYSIQUE II Filière PC Filière PC 6 ­ 19 moyenne de 170 10 eV ( 1eV = 1, 6 10 J ) . Lorsque la masse du bloc d'uranium devient supérieure à une valeur critique, la réaction en chaîne s'emballe et devient explosive. I.A - Diffusion de neutrons I.A.1) Quelle serait l'énergie libérée par la désintégration totale d'un kilo235 gramme d' U ? I.A.2) L'énergie libérée par l'explosion d'une tonne de trinitrotoluène, un 9 explosif chimique classique encore dénommé TNT, est de 4, 2 10 Joule . En déduire l'énergie libérée par la désintégration supposée totale d'un kilogramme 235 d' U , exprimée en équivalent tonnes de TNT. Commenter le résultat. I.A.3) Soit N ( x, y, z, t ) le nombre de neutrons par unité de volume, et J le vecteur densité de flux de neutrons, tel que J dS dt représente le nombre de neutrons traversant la surface dS pendant l'intervalle de temps dt . On donne l'équation fondamentale de la neutronique : ­1 N -------- = ­ div J + ------------ N ( x, y, z, t ) . t On rappelle de plus la loi de Fick J = ­ Dgrad N et la relation div ( grad N ) = N . a) En vous aidant d'analogies avec d'autres domaines de la Physique, pouvezvous interpréter les deux termes situés à droite de l'égalité ? b) Quelle interprétation proposez-vous pour la constante ? c) Expliquer, en particulier, pourquoi ­ 1 intervient dans le terme de droite, et pas . I.B - Masse critique On cherche à déterminer la masse du bloc d'uranium (ou masse critique) pour laquelle la réaction en chaîne peut s'emballer et devenir explosive. I.B.1) Calcul de la masse critique dans le cas d'une boule d'uranium 235 pur, de rayon R On suppose que le problème est à géométrie sphérique de telle sorte que l'on puisse écrire : N = N ( r, t ) = N 1 ( r )e t / et Concours Centrale-Supélec 2010 N J (r,t) = ­ D -------- e r . r 2/11 PHYSIQUE II Filière PC Dans cette situation, on a : 1 d 2d N1 N 1 = ----2- ------ r ------------ r dr dr . a) On pose g(r) = rN 1(r) et 2 ­ + 1 = ---------------------D ; montrer que la fonction g(r) est solution d'une équation différentielle très classique. On recherche une fonction r N 1 ( r ) telle que N 1 ( r = R ) = 0 , que N 1 ne s'annule pas pour r ]0, R [ et telle que N 1 tende vers une limite finie quand r tend vers zéro. Montrer que c'est possible si 2 D = ( ­ 1 ) ­ -------------- . 2 R b) Interpréter le fait que augmente si R croît. c) Quelle est la différence fondamentale entre les cas > 0 et < 0 ? d) Exprimer le rayon minimal R c tel qu'il puisse y avoir réaction en chaîne, en fonction de D , et . 235 3 e) On donne pour U 92 de masse volumique = 19 10 kg m­3 : 2 ­2 2 D = 2, 2 10 m et = 2, 5 . Calculer la valeur du rayon critique R c , ainsi que la masse critique M c (masse de la boule d'uranium de rayon R c ). I.B.2) Mise en oeuvre d'une bombe nucléaire Pour des raisons évidentes, on ne peut pas stocker sans précautions une masse d'uranium supérieure à la masse critique. Quelle disposition raisonnable pouvez-vous suggérer pour le conditionnement d'une arme nucléaire, embarquée dans un missile ? Comment pourrait-on déclencher l'explosion ? Partie II - Principe de la séparation isotopique par diffusion gazeuse L'uranium naturel est à 99, 3% sous forme de l'isotope 238 , et à 0, 7% sous forme de l'isotope fissile 235 . Afin d'enrichir l'uranium en son isotope fissile, on peut utiliser des membranes percées de petits orifices, de sorte que les molécules les plus rapides aient plus de chance de traverser cette membrane. II.A - Diffusion gazeuse à travers une petite ouverture II.A.1) L'hexafluorure d'uranium U F 6 est assimilé à un gaz parfait. Concours Centrale-Supélec 2010 3/11 PHYSIQUE II Filière PC a) Relier la vitesse quadratique moyenne V : (V2) d'une molécule de masse m d'un gaz parfait à la température de ce gaz. b) On suppose que la paroi du récipient contenant le gaz UF6 est percée Mélange gazeux à 0uVerture d'un petit orifice, d'aire S . Cet orifice appar- la température T tient a une paroi perpendiculaire à l'axe eÎÇ , 235 Vide La pression à l'extérieur du récipient est U F 6 Jet gazeux supposée nulle. Pour simplifier, on considé-- 238UF6 rer que la projection du vecteur vitesse d'une molécule sur un des trois axes (supposés x' x equ1va en s ex, ey ou eZ ne peu pren re que deux valeurs : :V. Le récipient contient un mélange des deux gaz 235UF6 et 238UF6 sous la pression partielle respective P235 et P238 . Soit ôN235 le nombre de molécules d' U 235F6 qui traversent l'orifice pendant l'intervalle de temps dt , et ôN238 le nombre de molécules d' U 238F6 qui traversent l'orifice pendant le même intervalle de temps. Figure 2 Montrer que ôN M en P 15 . . 235 = ( 238) (-ÊÊË) ou M235 est la masse molaire du gaz U235F6 ô1VZ38 M235 P235 et M 238 est la masse molaire du gaz U 238F6 . On explicitera les exposants oc et [3 . c) On donne la masse molaire du Barrière poreuse fluor : 19 - 10--3kg - mol--1 . Le récipient a été rempli avec de l'hexafluorure UF . . 6 d'uranium « naturel >> ; la proport1on | 238 / ' ' - (1 U dans ce rec1p1ent va augmen- Flux appauvr1 en ter au cours du temps. U235 Évaluer numériquement le rapport J 235/ J 238 des flux de matière sortant U F 6 du récipient, à l'instant initial de CO: l'ouverture de l'orifice. UF6 Flux enrichi en lÏ235 (1) Pourquoi utiliser de l'hexafluo- rure d'uranium plutôt que de l'hexa- chlorure d'uranium ? Haute pression Basse pression Figure 3 II.B - Mise en cascade de cellules de diffusion gazeuse Une usine de séparation isotopique par diffusion gazeuse utilise des centaines de cellules élémentaires de diffusion gazeuse ; chaque cellule (figure 8) se com- pose essentiellement d'une membrane poreuse et d'un système de pompage. On alimente a gauche et on pompe a droite, de sorte que, comme dans la question Concours Centrale-Supé/ec 2010 4/11 PHYSIQUE II Filière PC précédente, on peut considérer que l'espace à droite de la paroi est quasi-vide. La pression à l'entrée est la même pour toutes les cellules. On a le schéma de la figure 3 en régime stationnaire. 235 238 On a donc en amont de la cellule un mélange de deux gaz U F 6 et U F 6 . II.B.1) Soit r 235 le rapport P 235 / P 238 à un endroit donné ; à l'entrée de l'usine, on a r 235, 0 = 0, 7% . Soit r 235, 1 le rapport P 235 / P 238 à la sortie de la première cellule ; justifier que M 238 r 235, 1 = r 235, 0 ------------- . M 235 II.B.2) a) Une centrale nucléaire typique nécessite un uranium enrichi, tel que r 235, nc = 3% . Déterminer n c , nombre de cellules de diffusion disposées en cascade pour obtenir 3% d'uranium fissile. b) Une bombe à uranium nécessite de l'uranium hautement enrichi, tel que r 235, nb 90% ; exprimer n m , nombre de cellules nécessaires dans une usine d'enrichissement destinée à des fins militaires. II.B.3) Quels autres principes physiques pourriez-vous proposer pour séparer les deux isotopes de l'uranium ? (on se limitera à 10 lignes au maximum). Partie III - Blindage par une feuille métallique. Au moment de l'explosion d'une bombe nucléaire dans la haute atmosphère, les produits de la désintégration des noyaux d'uranium se trouvent dans un état excité. Ils se désexcitent en quelques nanosecondes en émettant des photons d'énergie supérieure à 1 MeV , qui vont fortement ioniser l'atmosphère en engendrant un courant électrique très intense. L'impulsion d'ondes électromagnétiques de durée courte, quelques dizaines de nanosecondes, qui en résulte, peut détruire les dispositifs électroniques même situés à grande distance du lieu de l'explosion. III.A - Ordre de grandeur du champ électrique à grande distance 3 À la distance D = 10 km du centre de l'explosion, on estime que la densité volumique d'énergie électromagnétique engendrée par le flux de rayons est de 3 l'ordre de 0, 2mJ / m . III.A.1) Rappeler l'expression de la densité volumique d'énergie électromagnétique associée à un champ électrique E . ­ 12 III.A.2) On donne la valeur de la permittivité du vide 0 = 8, 84 10 SI . En déduire un ordre de grandeur grossier pour la norme du champ électrique. Commenter. Concours Centrale-Supélec 2010 5/11 PHYSIQUE II Filière PC Le problème du blindage -- c'est-à--dire de la protec- tion -- des appareils sen- sibles est dans ce contexte une question de survie. D'une manière générale, l'appareil à protéger est disposé à l'intérieur d'une enceinte métallique fermée . ' qui empêche le champ élec- î _ B0bme 1 _ tromagnétique extérieur '1(t) i '1(') de pénétrer. Un protocole expérimental très simple a mettre en oeuvre ( y compris dans une salle de travaux pratiques) est l'objet de la suite de cette troisième partie du problème. \...\|\\\\HHHHH / _ _ @@)..." )l ll))l)l]lll"2A<îî Bobine 2 à insérer dans la bobine 1 Figure 4 Dans une première expérience, dite expérience A , on place deux bobines cylin- driques assez longues de telle sorte qu'elles aient le même axe de révolution. La bobine la plus grande n°1 de résistance R1 et d'auto-inductance L1 est alimen- tée par un générateur de tension sinusoïdale de force électromotrice e g(t) : emcos(oet + cpe) et de résistance interne R g = 50, 0 Q . La valeur efficace de la force électromotrice du générateur vaut eEURff : 7, 31V . Par ailleurs, un voltmè- tre d'impédance infinie indique la tension efficace aux bornes de la petite bobine (notée 2) située à l'intérieur de l'autre bobine. III.B - Étude de l'expérience A III.B.1) Exploitation des données expérimentales Le tableau ci-dessous consigne des valeurs numériques de U 2 A (valeur efficace de la tension aux bornes de la bobine n°2 ) en fonction de la fréquence ;" imposée par le générateur. Fréquence f en Hz 31 50 78, 6 110 1000 2200 U2A en V O, 161 O, 242 O, 323 O, 376 O, 478 O, 480 a) On considère le filtre de tension d'entrée e g et de tension de sortie "2A . Mon- trer par une construction graphique a réaliser directement sur votre copie que ces résultats sont compatibles avec un comportement du premier ordre. b) Indiquer les valeurs numériques du gain H 0 dans la bande passante et de la fréquence de coupure f1 . III.B.2) Étude théorique de l'amplitude de l'intensité dans la bobine n°1 en régime sinusoïdal forcé. Par un choix convenable de date origine, l'intensité du courant dans la bobine n°1 vaut i1(t) : Im cosoet. Concours Centrale-Supé/ec 2010 6/11 PHYSIQUE II Filière PC a) Relier l'amplitude I m de l'intensité circulant dans cette bobine aux caracté- ristiques électriques du circuit. b) Exprimer de même la phase origine (pe de la force électromotrice du généra- teur e g(t) . III.B.3) Champ magnétique créé par la bobine cylindrique n°1 a) Rappeler les caractéristiques du champ magnétique dans un solénoïde suffi- samment long pour que l'on puisse négliger les effets de bords sachant que la bobine de longueur !1 comporte N1 spires. b) Mettre l'expression de la composante du champ magnétique suivant l'axe de la bobine sous la forme BZ : fLoe)eg On exprimera la fonctiorÎcomplefi: @ en fonction de R g , R1 , L1 , N1 et !1 . III.B.4) Tension aux bornes de la bobine n°2 de détection La bobine de détection n°2 de N 2 spires circulaires de rayon r2 est reliée à un oscilloscope de très grande impédance d'entrée aux fréquences considérées. Exprimer en notation complexe la tension u2A aux bornes de la bobine de détec- tion en fonction de BZ . On précisera sur un--schéma la convention électrocinéti- que d'orientation reÎenue. III.B.5) Fonction de transfert du filtre a) En déduire l'expression de la fonction de transfert H A du filtre de tension d'entrée e g et de tension de sortie u2A. On donnera l'e_xpression du gain H 0 dans la bande passante et de la fréqueî1ce de coupure f1 . b) À l'aide des données expérimentales, déterminer l'inductance L1 de la bobine sachant que R1 = 11, 2 Q. III.C - Étude de l'expérience B Le protocole expérimental de la seconde expérience B est quasi identique à , . . . \ * 'n...lnuHHHHH l'experience A , a ce01 pres " que l'on enveloppe la <:l'\(llËÈ)Ë))ËËËËËËËË)ËËËDËl uîB(t) î bobine de détection par plusieurs tours de papier îg' '/ li1(t) Feuille de papier aluminium bobine 2 à insérer dans la bobine 1 aluminium ménager enroulé en forme de cylin- dre d'épaisseur totale h et de rayon r1»h. Ce cylin-- dre métallique de même axe que les bobines est lui--même placé dans la bobine n°1 . Bobine 1 _ L1(t) Figure 5 III.C.1) Exploitation des données expérimentales Concours Centrale-Supé/ec 2010 7/11 PHYSIQUE II Filière PC En haute fréquence, la fonction de transfert u2 B H B = ---------- en présence de la feuille d'aluminium eg diffère notablement de l'expérience précédente. Une modélisation mathématique de la fonction H( f ) s'accorde bien avec le modèle H 0 H B = ---------------------------------------f f 1 + jQ ----- ­ ----0- f0 f avec les valeurs numériques f 0 = 1, 10 kHz , Q = 0.0798 , H 0 = 0, 0652 . On cherche à mettre H B( f ) sous la forme 1 H B = H A H avec H = ------------------------- . 1 + jf / f 2 a) Exprimer H 0 en fonction de H 0 , f 1 et f 2 . b) Relier le facteur de qualité Q et la fréquence centrale f 0 à f 1 et f 2 . c) Déterminer les valeurs numériques de f 1 et de f 2 . Commentaires. III.C.2) Interprétation physique de H Pour dégager le sens physique de H , on peut suivre la piste suivante. Des courants induits apparaissent dans la feuille métallique. Ce qui amène à distinguer deux zones de champ magnétique uniforme dans le volume intérieur de la bobine n°1 . · À l'intérieur du cylindre délimité par la feuille d'aluminium règne un champ magnétique B z dû à la fois aux courants induits dans la feuille et au couint rant qui circule dans la bobine n°1 . Notons que la bobine de détection est placée dans cette zone. · À l'extérieur de la feuille métallique tout en restant dans la bobine n°1 existe un champ magnétique B z créé par la bobine n°1 (du moins en première ext approximation). On ajoute l'hypothèse que l'intensité délivrée par le générateur est indépendante des courants induits dans la feuille métallique. Dans ce contexte, relier H à B z et à B z . int Concours Centrale-Supélec 2010 ext 8/11 PHYSIQUE II Filière PC Partie IV - De la difficulté de blinder efficacement La partie précédente a montré que le blindage était efficace si la cavité où se trouve le détecteur est fermée. Mais en pratique, l'appareil considéré dépend pres- que toujours de l'extérieur pour fonctionner et communiquer. On peut dire, par exemple, que le câble d'alimentation ou l'antenne sont autant de défauts à la cui- rasse. Cette partie porte sur un mécanisme possible de transfert d'énergie électro- magnétique à travers les ouvertures mêmes petites du blindage. Considérons la situation simple sui- vante. Deux résistances R1 et R2 sont OuYert}lre Boitier de reliées par deux fils. R1 est placée Cyhndr1que\ bllhËïäääEUR dans un boitier métallique fermé tan- Fil de liaison dis que R2 est à l'extérieur. Un des fils isolé du b0îtiel" ' de liaison de rayon d1 traverse le boî- tier métallique à travers une ouver- ture cylindrique de rayon d2 pratiquée dans la paroi métallique. Les autres bornes des conducteurs ohmiques sont reliées directement au boîtier. relié au boîtier IV.A - Étude électrocinétique Figure 6 L'impulsion électromagnétique entraîne une force électromotrice induite du type e(t) telle que e(t) : 0 pour t < 0 et pour t> T et e(t) : emax si 0 < t < T. Comme le fil isolé est proche de la paroi métallique, il existe un effet capacitif, que nous supposerons localisé au niveau du passage cylindrique à travers le boitier de blindage. Le schéma ci--contre traduit un modèle électroci-- nétique de la situation considérée. Schéma montage équivalent IV.A.1) Établir l'équation différentielle véri- f"\' , . U fiee par la tens1on aux bornes du condensateur e(t) Uc(t) . R2 R1 IV.A.2) En déduire U e(t) pour 0 < t < T C ---- IV.A.3) Montrer que l'intensité du courant cir-- _-- culant dans la résistance R1 durant l'impulsion se met sous la forme : 77777 //// //// . _ t . t(t) -- IM<1 --exp(--â) . F1gure 7 Cette modélisation électrocinétique montre que l'onde électromagnétique géné-- rée par l'explosion nucléaire peut pénétrer dans l'enceinte à protéger en dépit de Concours Centrale-Supé/ec 2010 9/11 PHYSIQUE II Filière PC la présence du blindage. Ceci est lié au fait que la cavité n'est pas totalement fermée. Afin de comprendre ce processus, il faut déterminer le champ magnéti- que et le champ électrique au niveau du passage du fil à travers le boîtier. IV.B - Champ magnétique créé par le fil parcouru par i IV.B.1) Donner l'expression de la densité volumique de courant ; supposée uniforme lorsque le fil de rayon al1 est parcouru par un courant d'intensité i IV.B.2) Indiquer les caractéristiques géométriques du champ magnétique créé par ce courant. IV.B.3) Calculer la norme du champ magnétique en un point situé à la dis- tance r de l'axe de révolution du fil. On distinguera les deux cas : 0 < r < d1 et d1 < r < d2 . IV.C - Champ électrostatique dans l'ouverture On CherChe à estimer le champ élec-- Paroi de blindage au potentiel V0 = 0 trique régnant dans l'espace entre le /, ....\ fil et le blindage. Le boîtier de blin- ' " / dage est porté au potentiel constant Ouverture V0 = 0, tandis que le fil de rayon d1 cy11ndr1que de est au potentiel V1 lui aussi constant. Le rayon de l'ouverture vaut d2 (d2 >d1) et l'épaisseur de la paroi de blindage est notée h . On considé-- rera les conducteurs comme parfaits. IV.C.1) On néglige les effets de bords en supposant que le potentiel V(M ) ne dépend que de la variable de position r en coordonnées cylindri-- ques d'axe 02 suivant l'axe du fil. Figure 8 Montrer que V(r) : ocln(r)+[ä est solution du problème. IV.C.2) Expliciter les constantes on et [5 en fonction des données. IV.C.3) Calculer le champ électrostatique Ê)(r) régnant dans l'espace sépa- rant le fil de la boîte de blindage. IV.D - Champ électrique dans le fil parcouru par un courant IV.B.1) Indiquer les caractéristiques du champ électrique noté EC...1 existant dans le fil de cuivre de rayon d1 : O, 5mm parcouru par un courant d'intensité i : 10mA sachant que la conductivité du cuivre vaut YCu : 5, 88 -- 107 {I'm--1 . Concours Centrale-Supé/ec 2010 10/11 PHYSIQUE II Filière PC IV.D.2) Comparer ce champ électrique à E 0(r) pour d 1 < r < d 2 avec d 2 = 1 mm et V 1 = 10 V . Ce calcul montre que la distribution de charges électriques est en pratique indépendante de l'intensité du courant parcourant le fil. IV.E - Champ électrique dans l'espace inter-armatures en régime variable On se place dans l'espace inter-armatures, donc pour d 1 < r < d 2 . Lors de la charge du condensateur, un courant d'intensité variable t i ( t ) = I M 1 ­ exp ­ -- passe dans le fil. IV.E.1) Montrer qu'en régime variable le champ électrique E diffère du champ électrostatique E 0 et présente une composante supplémentaire axiale E 1(r, t) = E 1(r, t)U z . IV.E.2) Rappeler les relations de passage pour le champ électrique. Quelles conséquences peut­on en tirer pour le champ électrique de part et d'autre de la surface du fil cylindrique parcourue par le courant ? IV.E.3) En utilisant l'équation de Maxwell-Faraday, expliciter le champ E 1(r, t) . Montrer que dans les conditions étudiées, on peut négliger E 1(r, t) devant E 0(r, t) . On pourra prendre I M = 10mA pour l'application numérique. IV.F - Transfert d'énergie électromagnétique IV.F.1) Vecteur de Poynting a) Rappeler l'expression du vecteur de Poynting . Quelle est la signification physique de ce vecteur ? b) Montrer que le flux de à travers une section droite perpendiculaire à l'axe du fil est nul, donc pour 0 < r < d 1 . c) En utilisant les questions précédentes, calculer le flux de à travers une section droite de l'espace interarmatures pour d 1 < r < d 2 . IV.F.2) Transfert énergétique a) Calculer l'énergie électromagnétique entrée dans le boîtier de blindage. b) Peut-on dire que « ...L'avantage va actuellement à l'épée par rapport à la cuirasse... » ? ··· FIN ··· Concours Centrale-Supélec 2010 11/11

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 Centrale Physique 2 PC 2010 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Sandrine Ngo (ENS Cachan) ; il a été relu par Raphaël Galicher (Enseignant-chercheur à l'université) et Jean-Julien Fleck (Professeur en CPGE). Ce sujet original et bien conçu étudie divers aspects des explosions nucléaires. Ses quatre parties sont indépendantes. · La première partie est consacrée à l'uranium 235. Elle aborde la libération d'énergie et la diffusion de neutrons qui interviennent lors d'une désintégration. Un calcul de masse critique permet de déterminer la quantité d'uranium 235 nécessaire à la fabrication d'une bombe. · L'uranium fissible ne constituant qu'une faible proportion du minerai naturel, la deuxième partie aborde une technique d'enrichissement par diffusion gazeuse. · La troisième partie s'intéresse à une méthode de protection des appareils électriques contre les rayonnements électromagnétiques émis par l'explosion d'une bombe : le blindage. L'énoncé propose l'étude d'un montage électrique constitué de bobines, en utilisant des notions d'induction et d'électronique. · La quatrième partie cherche à tester l'efficacité de la méthode de protection précédente par des calculs d'électromagnétisme. Ce problème est plutôt long, comme souvent au concours Centrale-Supélec, mais les questions ne sont pas particulièrement difficiles. Leur résolution fait appel à des raisonnements simples et à des relations de base du cours, sans nécessiter de calculs trop complexes. Signalons que quelques questions de culture générale demandent des connaissances plus approfondies dans le domaine du nucléaire. La dernière partie constitue une bonne révision d'électromagnétisme, avec des questions classiques de calcul de champ. Cela en fait un problème équilibré sur un thème rarement traité aux concours. Indications I.A.1 I.A.3.a I.A.3.c I.B.1.a I.B.1.c I.B.1.d II. I. La désintégration de l'uranium 235 Pour obtenir la masse molaire de l'uranium 235, considérer que le nombre de nucléons donne cette grandeur en g.mol-1 . Faire le lien avec des équations de conservation dans divers domaines de la physique comme en hydrodynamique (conservation de la matière) ou en électromagnétisme (conservation de la charge électrique ou de l'énergie électromagnétique). Faire un bilan de neutrons au cours d'une réaction de fission. Pour résoudre l'équation différentielle obtenue, tenir compte des conditions aux bords en r = 0 et r = R vérifiées par la fonction g. Étudier l'évolution de N(r, t) dans les cas > 0 puis < 0. Le rayon critique est atteint lorsque s'annule. Principe de la séparation isotopique par diffusion gazeuse II.A.1.a Exprimer l'énergie cinétique moyenne d'une molécule de masse m et de vitesse V en fonction de la température cinétique. II.A.1.b Toutes les particules qui traversent l'orifice entre t et t + dt se trouvent à l'instant t dans un cylindre dont le volume dépend de leur vitesse. II.A.1.d Considérer la masse molaire ou le nombre d'isotopes stables du fluor et du chlore. II.B.1 Relier r235,1 au rapport des quantités de molécules traversant l'orifice qui a été établi à la question II.A.1.b. II.B.3 Penser à des propriétés physiques qui dépendent de la masse des molécules. III. Blindage par une feuille métallique III.B.1.a Représenter les résultats sous forme de diagramme de Bode, c'est-à-dire 20 log |U2A /eeff | en fonction de log f . III.B.1.b Résoudre graphiquement. III.B.3.a Considérer que le solénoïde est infini. Raisonner sur les symétries de la distribution de courant ainsi que sur les invariances du problème. III.B.3.b Utiliser les calculs de la question III.B.2.a. III.B.4 Utiliser la loi de Faraday dans la bobine n 2. L'impédance de l'oscilloscope étant très grande, le circuit n 2 peut être considéré comme ouvert. III.C.2 Relier u2A à Bint en utilisant le même raisonnement qu'à la question III.B.4. Relier eg à Bext à l'aide de la question III.B.3.b. Avec ces résultats, calculer HB en faisant apparaître HA et H. IV.B.2 IV.B.3 IV.C.1 IV.C.3 IV.D.1 IV.E.1 IV.F.1.b IV. De la difficulté de blinder efficacement Raisonner sur les symétries et les invariances de la distribution de courant. Utiliser le théorème d'Ampère sur un cercle de rayon r autour de l'axe (Oz). À l'aide de la relation de Maxwell-Gauss, établir l'équation vérifiée par V. -- - Utiliser la relation E0 (r) = - grad V(r). Utiliser la loi d'Ohm locale. -- - - Utiliser la relation E (r, t) = - grad V- A /t. Raisonner sur les symétries - du problème pour déterminer la direction de A . Considérer que le champ électrique est nul dans le fil. Quelques situations physiques liées aux explosions nucléaires I. La désintégration de l'uranium 235 I.A Diffusion de neutron I.A.1 Le nombre N d'atomes dans m = 1 kg d'U235 supposé pur est N = m/mu où mu est la masse d'un atome d'U235 . Or on peut considérer que la masse molaire de l'U235 vaut Mu = 235 g.mol-1 . Donc mu = Mu /NA avec NA le nombre d'Avogadro. La masse molaire d'un atome exprimée en g.mol-1 est en fait numériquement égale à sa masse atomique exprimée en unité atomique u. Une unité atomique est telle que 1 u × NA = 1 g.mol-1 . Elle correspond à peu près à la masse d'un nucléon. On comprend alors l'équivalence numérique qu'on peut faire en première approximation entre masse molaire et nombre de nucléons. m NA Mu Sachant qu'une désintégration libère une énergie moyenne E = 170.106 eV, l'énergie libérée par N désintégrations serait Ainsi, N= E= m NA E = 7,0.1013 J Mu I.A.2 L'énergie précédente vaut E= 7,0.1013 = 1,7.104 équivalent tonnes de TNT 4,2.109 Une petite masse d'U235 permet donc de dégager une gigantesque quantité d'énergie. Son emploi dans la fabrication d'armements permet ainsi de produire des bombes à la fois réduites et extrêmement meurtrières, qu'on pourrait qualifier sans hésiter d'armes de destruction massive. Le caractère destructeur de la bombe atomique n'est plus à démontrer si l'on considère que celle qui a été lâchée par l'armée américaine à Hiroshima en 1945 fit instantanément 70 000 morts environ ! I.A.3.a L'équation fondamentale de la neutronique est analogue à une équation de continuité du type + div - = t vérifiée par exemple en hydrodynamique par la densité d'un fluide : dans ce cas, div - est un terme de flux et est un terme de création/destruction. Cette équation est donc une équation de conservation locale de la densité de neutrons, qui indique que la variation temporelle de la densité en un point est liée à deux facteurs : · un flux de neutrons causé par une inhomogénéité de la densité et exprimé par - le terme - div J ; · un processus de création de neutrons, traduit par le terme ( - 1) N/ , et provenant du phénomène de désintégration de l'uranium. I.A.3.b est homogène à un temps. Il représente le temps caractéristique au bout duquel une désintégration d'un noyau d'U235 est observée. est aussi appelé taux de transition. I.A.3.c Lors d'une désintégration, il apparaît neutrons mais un neutron est absorbé par le noyau d'U235 au départ. Le bilan de neutrons au cours d'une réaction est alors - 1 et non pas simplement . Le terme de création est en fait une grandeur algébrique. Dans le cas présent, puisque 2,5, la grandeur - 1 est positive et il s'agit effectivement d'un terme de création. Mais dans le cas où - 1 serait négatif, il s'agirait d'un terme de destruction. I.B Masse critique I.B.1.a N = N1 (r) e t/ vérifie l'équation fondamentale de la neutronique : -1 - N1 (r) e t/ = - div J + N1 (r) e t/ -- - Or, d'après la loi de Fick, J = -D grad N. De plus l'énoncé rappelle la relation -- div (grad N) = N. L'équation précédente devient -1 N1 (r) e t/ = D N1 (r) e t/ + N1 (r) e t/ - + 1 soit en simplifiant N1 = N1 D On calcule le terme de gauche en faisant apparaître g, g 1 d 2 d N1 = 2 r r dr dr r 1 d = 2 (r g - g) r dr 1 = 2 (g + r g - g ) r g N1 = r ce qui conduit à g + g = 0 avec = ( - - 1) D On veut que N1 (R) = 0, que N1 (0) soit finie et que N1 ne s'annule pas pour r ] 0 ; r [, donc la solution g doit vérifier les conditions suivantes ( g(0) = g(R) = 0 g(r) 6= 0 pour r ] 0 ; r [ On est amené à considérer deux cas selon le signe de .