Centrale Physique 2 PC 2010Sujet, corrigé et rapport du jury
- Diffusion de particules et équation de bilan local
- Circuits linéaires en régime harmonique
- Électrostatique et magnétostatique
- Induction électromagnétique
- Vecteur de Poynting et énergie électromagnétique
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Présentation du sujet
Explosions nucléaires : masse critique de l'uranium 235, séparation isotopique et blindage électromagnétiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie plusieurs problèmes liés aux explosions nucléaires : l'existence d'une masse critique pour une boule d'uranium 235, la séparation isotopique de l'uranium par diffusion gazeuse, puis le blindage par une feuille métallique face à des champs électromagnétiques intenses. Il combine diffusion de particules, circuits linéaires en régime harmonique et électromagnétisme.
- 1Partie I : la désintégration de l'uranium 235Diffusion de neutrons et mise en évidence d'une masse critique pour une boule d'uranium 235.
- 2Partie II : principe de la séparation isotopique par diffusion gazeuseÉtude de la diffusion gazeuse à travers une ouverture et mise en cascade de cellules pour l'enrichissement.
- 3Partie III : blindage par une feuille métalliqueComparaison de deux dispositifs expérimentaux, avec et sans feuille de blindage, en régime harmonique.
- 4Partie IV : de la difficulté de blinder efficacementÉtude électrocinétique en régime transitoire puis calcul de champs électromagnétiques et de grandeurs énergétiques.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesSigne du coefficient mal traité pour la masse critique · Confusions sur les grandeurs microscopiques · Filtre passe-haut non reconnuAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe sujet a été globalement abordé, avec une première partie traitée par la quasi-totalité des candidats. Certaines parties, comme la diffusion gazeuse et l'étude électrocinétique, ont été relativement mal traitées, tandis que l'expérience B de la partie III a été abordée avec succès par les bons candidats.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Signe du coefficient mal traité pour la masse critique
En introduisant prématurément la constante alpha, la majorité des candidats ne s'est pas préoccupée du signe du coefficient du terme d'ordre 0, ce qui interdisait les solutions sinusoïdales.
- 2Confusions sur les grandeurs microscopiques
La partie sur la diffusion gazeuse révèle de fréquentes confusions entre masse d'une molécule et masse molaire, entre constante de Boltzmann et constante molaire R.
- 3Filtre passe-haut non reconnu
De trop nombreux candidats ne savent pas reconnaître un passe-haut du premier ordre ni mettre sa fonction de transfert sous forme canonique.
- 4Équation différentielle électrocinétique difficile
L'établissement de l'équation différentielle d'ordre 1 a constitué un obstacle inattendu, surmonté seulement par la moitié des candidats.
- 5Unité du champ électrique souvent fausse
L'unité correcte de champ électrique n'est donnée que par une minorité de candidats.
Ce qui a été bien réussi
- La première partie a été abordée par la quasi-totalité des candidats.
- L'identification de tau comme temps caractéristique a été généralement effectuée.
- L'étude de l'expérience B a été abordée avec succès par de bons candidats.
- L'expression du vecteur de Poynting est connue.
Conseils du jury
- Procéder à une lecture complète de l'énoncé avant de commencer à répondre.
- Rédiger de façon explicite, en précisant le domaine d'intégration et la loi physique utilisée.
- Faire des schémas clairs et lisibles.
- Soumettre systématiquement le résultat final à un contrôle d'homogénéité dimensionnelle.
- Respecter l'ordre des questions de l'énoncé pour faciliter la correction.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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PHYSIQUE II
Quelques situations physiques liées aux explosions nucléaires
On rappelle par ailleurs les expressions d'analyse vectorielle :
- En coordonnées sphériques :
- En coordonnées cylindriques :
Partie I - La désintégration de l'uranium 235
Le nombre moyen de neutrons émis dans la désintégration d'un noyau d'
Filière PC
I.A - Diffusion de neutrons
I.A.2) L'énergie libérée par l'explosion d'une tonne de trinitrotoluène, un explosif chimique classique encore dénommé TNT, est de
I.A.3) Soit
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
I.B - Masse critique
I.B.1) Calcul de la masse critique dans le cas d'une boule d'uranium 235 pur, de rayon
On suppose que le problème est à géométrie sphérique de telle sorte que l'on puisse écrire :
c) Quelle est la différence fondamentale entre les cas
d) Exprimer le rayon minimal
e) On donne pour
I.B.2) Mise en œuvre d'une bombe nucléaire
Partie II - Principe de la séparation isotopique par diffusion gazeuse
II.A - Diffusion gazeuse à travers une petite ouverture
PHYSIQUE II
b) On suppose que la paroi du récipient contenant le gaz

c) On donne la masse molaire du fluor :
Évaluer numériquement le rapport
d) Pourquoi utiliser de l'hexafluorure d'uranium plutôt que de l'hexachlorure d'uranium?
.jpg)
II.B - Mise en cascade de cellules de diffusion gazeuse
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.
On a donc en amont de la cellule un mélange de deux gaz
II.B.1) Soit
a) Une centrale nucléaire typique nécessite un uranium enrichi, tel que
b) Une bombe à uranium nécessite de l'uranium hautement enrichi, tel que
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.
III.A - Ordre de grandeur du champ électrique à grande distance
III.A.1) Rappeler l'expression de la densité volumique d'énergie électromagnétique associée à un champ électrique
III.A.2) On donne la valeur de la permittivité du vide

de pénétrer. Un protocole expérimental très simple à mettre en œuvre (
Dans une première expérience, dite expérience
III.B - Étude de l'expérience
A
III.B.1) Exploitation des données expérimentales
| Fréquence
|
31 | 50 | 78,6 | 110 | 1000 | 2200 |
|
|
0,161 | 0,242 | 0,323 | 0,376 | 0,478 | 0,480 |
b) Indiquer les valeurs numériques du gain
III.B.2) Étude théorique de l'amplitude de l'intensité dans la bobine
a) Relier l'amplitude
b) Exprimer de même la phase origine
III.B.3) Champ magnétique créé par la bobine cylindrique
a) Rappeler les caractéristiques du champ magnétique dans un solénoïde suffisamment long pour que l'on puisse négliger les effets de bords sachant que la bobine de longueur
b) Mettre l'expression de la composante du champ magnétique suivant l'axe de la bobine sous la forme
On exprimera la fonction complexe
III.B.4) Tension aux bornes de la bobine
III.B.5) Fonction de transfert du filtre
a) En déduire l'expression de la fonction de transfert
b) À l'aide des données expérimentales, déterminer l'inductance
III.C - Étude de l'expérience B

III.C.1) Exploitation des données expérimentales
b) Relier le facteur de qualité
c) Déterminer les valeurs numériques de
III.C.2) Interprétation physique de
- À l'intérieur du cylindre délimité par la feuille d'aluminium règne un champ magnétique
B_(z_(inj)) dû à la fois aux courants induits dans la feuille et au courant qui circule dans la bobinen^∘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 magnétiqueB_–_(z_(ext)) créé par la bobinen^∘1 (du moins en première approximation).
On ajoute l'hypothèse que l'intensité délivrée par le générateur est indépendante des courants induits dans la feuille métallique.
Dans ce contexte, relierH_– àB_(z_(int))_– et àB_(z_(ext))_– .
Partie IV - De la difficulté de blinder efficacement
Considérons la situation simple suivante. Deux résistances
IV.A - Étude électrocinétique

Le schéma ci-contre traduit un modèle électrocinétique de la situation considérée.
IV.A.1) Établir l'équation différentielle vérifiée par la tension aux bornes du condensateur
IV.A.2) En déduire
IV.A.3) Montrer que l'intensité du courant circulant dans la résistance
.jpg)
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 magnétique 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.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 distance
IV.C - Champ électrostatique dans l'ouverture
IV.C.1) On néglige les effets de bords en supposant que le potentiel

IV.C.2) Expliciter les constantes
IV.C.3) Calculer le champ électrostatique
IV.D - Champ électrique dans le fil parcouru par un courant
IV.D.2) Comparer ce champ électrique à
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
IV.E.1) Montrer qu'en régime variable le champ électrique
IV.E.2) Rappeler les relations de passage pour le champ électrique. Quelles conséquences peut-on 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
IV.F - Transfert d'énergie électromagnétique
IV.F.1) Vecteur de Poynting
b) Montrer que le flux de
c) En utilisant les questions précédentes, calculer le flux de
IV.F.2) Transfert énergétique
b) Peut-on dire que «...L'avantage va actuellement à l'épée par rapport à la cuirasse... »?
FIN •••
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale physique 2 PC 2010 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Centrale physique 2 PC 2010 ?
Il porte sur la diffusion de particules, les circuits linéaires en régime harmonique et l'électromagnétisme, à travers le thème des explosions nucléaires.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet Centrale physique 2 PC 2010 ?
Le jury relève des confusions entre masse molaire et masse d'une molécule, une mauvaise reconnaissance du filtre passe-haut, et des unités de champ électrique souvent fausses.
Le sujet Centrale physique 2 PC 2010 sur les explosions nucléaires est-il difficile ?
Le rapport ne donne pas d'appréciation globale de difficulté, mais signale que plusieurs parties, comme la diffusion gazeuse, ont été relativement mal traitées.
Ce sujet Centrale PC 2010 aborde-t-il l'électromagnétisme des régimes variables ?
Oui, la partie IV étudie le champ magnétique, le champ électrique induit et le transfert d'énergie électromagnétique via le vecteur de Poynting.
Pas de description pour le moment
