Exercice 4 - Oxydo-réduction · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2025

EXERCICE 4 (6 points) (physique-chimie)

Au cœur d'un réacteur nucléaire

Actuellement, près de 65% de l'électricité produite en France est issue de centrales nucléaires. À l'intérieur de ces centrales, des réacteurs nucléaires produisent chacun une puissance électrique comprise entre 900 MW et 1450 MW.

Ces réacteurs, dont la structure schématique est représentée sur la figure 1, utilisent la même technologie: de l'eau sous pression sert à transporter vers le générateur de vapeur l'énergie produite par les réactions nucléaires. Cet exercice propose d'étudier certains aspects du fonctionnement d'un réacteur nucléaire.

Partie 4 – Protection du combustible

Pour des raisons de sécurité, le combustible nucléaire ne doit pas être en contact avec le reste du réacteur. La gaine qui entoure le crayon combustible est constituée d'un alliage appelé zircaloy, choisi pour sa résistance à la corrosion.

Dans la cuve, le zirconium $\text{Zr}$ présent dans le zircaloy réagit avec l'eau qui l'entoure. Une réaction d'oxydoréduction se produit et conduit à la formation d'un oxyde de zirconium sur la surface de la gaine. Cette couche d'oxyde est imperméable à l'eau.

Les demi-équations des couples d'oxydoréduction mis en jeu au cours de cette transformation chimique sont:

$$\mathrm{ZrO_2(s) + 4\ H^+(aq) + 4\ e^- \rightleftharpoons Zr(s) + 2\ H_2O(\ell)}$$

$$\mathrm{2\ H^+(aq) + 2\ e^- \rightleftharpoons H_2(g)}$$

Q10.

Indiquer si le zirconium $\text{Zr(s)}$ présent dans la gaine est un oxydant ou un réducteur. Justifier.

Q11.

Écrire l'équation de la réaction d'oxydoréduction se produisant entre le zirconium $\text{Zr(s)}$ et l'eau.

Q12.

Expliquer pourquoi la couche d'oxyde de zirconium formée à la surface de la gaine permet de la protéger de la corrosion.