AU TO M N E 2021
Numéro sur l’hydrogène
Comment fonctionne une pile à hydrogène hydrogène? La réponse est à l'intérieur.
Hydrogène! L’hydrogène est l’élément le plus abondant sur la planète, et c’est peut être aussi le plus intéressant. L’hydrogène est utilisé dans tous les domaines, de la fabrication des puces informatiques à la production d’engrais utilisés pour faire pousser nos fruits et légumes. Ici, aux LNC, nous travaillons sur l’hydrogène depuis plus de 70 ans. Les réacteurs CANDU qui alimentent en électricité nos maisons et nos entreprises sont refroidis à l’eau lourde (c’est à dire une eau qui contient un isotope de l’hydrogène appelé deutérium). Nous menons des recherches sur les piles alimentées par un autre isotope de l’hydrogène appelé tritium. Et bien sûr, nous étudions de nombreuses façons de stocker et d’utiliser le protium — ou hydrogène ordinaire — en toute sécurité dans les voitures et les camions, et dans divers équipements. Nos travaux scientifiques sur l’hydrogène explorent quatre domaines clés : la production, le stockage, la sécurité et l’utilisation. La recherche dans chacun de ces domaines est importante, car l’hydrogène est de plus en plus utilisé dans notre vie quotidienne. C’est un sujet fascinant, et c’est pourquoi nous avons décidé de consacrer tout ce numéro à cet élément, le plus simple de tous, mais tout à fait passionnant. Philip Kompass, rédacteur en chef communications@cnl.ca
À l’approche de l’hiver, nous sommes nombreux à utiliser des poêles à bois et divers types d’appareils de chauffage pour nous réchauffer. L’automne est donc une bonne saison pour s’assurer que nos détecteurs de fumée sont en bon état et qu’ils font leur travail et nous alertent en cas d’incendie. De plus, nous devons connaître ce que signifient les différents bips émis par ces détecteurs afin de pouvoir réagir correctement aux alarmes. • Une série continue de trois bips forts signifie qu’il y a de la fumée ou du feu. Sortez, composez le 9-1-1 et restez à l’extérieur. • Un seul bip toutes les 30 ou 60 secondes signifie que la pile est faible et doit être remplacée. • Tous les détecteurs de fumée doivent être remplacés après 10 ans. • Si le détecteur émet continuellement des bips après le remplacement de la pile, cela indique qu’il est à la fin de sa durée de vie utile et doit être remplacé. Discutez avec un adulte et assurez-vous que vos détecteurs de fumée et de monoxyde de carbone sont en bon état et répondent aux besoins de tous les occupants de votre maison!
QUE VOUS DIT VOTRE ALARME? Connaissez les bips de la sécurité!
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Croisements : La science du sport et le ski de fond Pour ce numéro d’Enfants CONTACT, nous avons parlé avec Ailsa Eyvindson, ingénieure en mécanique et responsable de la Direction du génie des fluides aux LNC. Sa direction produit divers outils, techniques et systèmes pour relever les défis liés aux fluides dans l’industrie nucléaire. Outre sa passion pour les sciences, Ailsa s’adonne aussi au ski de fond et a déjà été une skieuse de haut niveau. Nous lui avons demandé de nous en dire davantage sur la science du ski de fond. « Le ski de fond est un sport amusant, mais il repose également sur beaucoup de science. Il s’agit de biomécanique (technique de ski), de physiologie (effet de l’entraînement sur le corps), de génie mécanique (conception des skis, des bâtons, des chaussures et des fixations), de psychologie (préparation mentale à la course) et de chimie (fart de ski). En ce qui concerne le fart, les premiers skieurs utilisaient du goudron de pin sur les skis en bois, ce qui empêchait les skis d’absorber l’humidité et leur donnait de l’adhérence pour éviter le glissement vers l’arrière. »
Les LNC sont un fier commanditaire des Jeux d’hiver de l’Ontario de 2022 qui se tiendront dans le comté de Renfrew les fins de semaine du 25 au 27 février et du 4 au 7 mars 2022. Les Jeux d’hiver accueilleront dans la région plus de 2300 athlètes, leurs familles et leurs entraîneurs!
Un fart (ou cire) de ski est composé essentiellement d’une substance appelée paraffine. Une paraffine est une molécule composée d’atomes d’hydrogène et de carbone alignés en rang. La longueur de ce rang (la chaîne) détermine les propriétés du fart. En général, plus la chaîne est longue, plus dure sera la cire. Le fart est hydrophobe, ce qui signifie qu’il repousse l’eau et donc qu’il favorise la glisse du ski et évite que la neige, qu’elle soit sèche ou mouillée, n’y colle. De nos jours, la plupart des skieurs emploient des farts naturels et des farts synthétiques, qui contiennent de plus en plus de carbone et qui sont formulés pour différentes plages de température. Ces farts peuvent également inclure divers additifs, comme du graphite, du téflon, du silicium et du molybdène pour repousser encore plus l’eau et la saleté. On doit choisir avec soin le fart en fonction de la température, de l’âge, de la structure cristalline et de la teneur en humidité de la neige. Comme vous pouvez imaginer, pour une course d’une heure ou plus, avec des conditions météorologiques changeantes, cela peut être un véritable casse-tête. Les techniciens chargés du fartage lors d’une grande compétition de ski peuvent être soumis à un grand stress! »
Renfrew County 2022 Ontario Winter Games Jeux d’hiver de l’Ontario
Les skieurs et les scientifiques passionnés par ce sujet continuent à travailler dans les laboratoires et sur les pistes de ski pour étudier de nouveaux farts potentiels en vue d’une utilisation future. Qui sait quelle sera la prochaine grande innovation dans ce domaine?
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TROP D’UNE BONNE CHOSE, EST-CE NÉCESSAIREMENT BON? Comprendre l’hydrogène dans les composants des réacteurs L’hydrogène présente de nombreux avantages, mais si vous travaillez dans l’industrie nucléaire, vous devez faire attention à certains aspects de l’hydrogène. À la façon d’une éponge qui absorbe l’eau, les métaux à l’intérieur d’un réacteur peuvent absorber l’hydrogène et former des hydrures dans certaines conditions. Si ces hydrures se forment en quantité suffisante, des fissures pourraient apparaître. Ici, aux LNC, nous effectuons des recherches afin d’aider les exploitants des réacteurs à savoir quand changer les composants de leurs réacteurs.
Nous utilisons un outil spécial que nous insérons dans le réacteur pour « gratter » un mince échantillon de matériau à la surface du composant.
Ensuite, notre équipe de chimie analytique soumet ces échantillons à la spectrométrie de masse avec extraction à chaud sous vide, et les échantillons sont chauffés jusqu’à 1100 °C. Nous mesurons l’hydrogène qui se dégage et en déduisons la concentration d’hydrures dans l’échantillon.
Ces échantillons sont ensuite envoyés aux Laboratoires de Chalk River pour être analysés dans nos installations blindées, qui protègent les travailleurs des rayonnements qu’ils émettent.
Nous aplatissons les raclures ou copeaux de métal pour former des pastilles compactes. Parfois, nous les polissons et nous les inspectons au microscope pour voir les hydrures dans le métal.
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Pour voir l’expérience de bulles de savon de Rita, visitez la page www.cnl.ca/soap.
Rencontre avec l’équipe : Rita Liang, scientifique spécialiste de la combustion Comment vous êtes-vous intéressée à la recherche sur l’hydrogène? L’hydrogène est un gaz vraiment fascinant à manipuler! On peut l’utiliser pour alimenter les véhicules et les seuls sous-produits sont l’eau et la chaleur. Il ne produit aucun polluant ni gaz à effet de serre, ce qui en fait une excellente source d’énergie propre. Cependant, les atomes d’hydrogène sont si petits qu’ils peuvent facilement s’échapper des réservoirs et des tuyaux. Nous devons donc détecter et éliminer l’hydrogène en cas de fuites accidentelles. En quoi consiste votre travail? En tant que scientifique spécialisée de la combustion, mon travail consiste à comprendre comment les choses brûlent. Dans mon travail actuel, je réalise des expériences et des calculs pour comprendre le comportement de l’hydrogène gazeux. Je cherche à comprendre comment le gaz d’hydrogène se déplace dans l’environnement, dans quelles conditions un nuage d’hydrogène s’enflamme et, surtout, comment l’hydrogène gazeux peut être éliminé pour éviter une explosion. Quelle est la partie la plus intéressante de votre travail?
L’hydrogène est incolore, inodore et insipide. Les flammes d’hydrogène ne sont pas visibles à la lumière du jour, mais nous pouvons les voir dans nos expériences avec une caméra spéciale. Aux LNC, nous disposons d’installations pour travailler avec l’hydrogène, et qui sont soigneusement conçues pour que nous puissions réaliser ces expériences de combustion énergétique en toute sécurité. Même après de nombreuses années de travail, il est toujours aussi passionnant de réaliser ces tests explosifs! Quel a été votre projet le plus spécial? J’ai collaboré avec un professeur d’université. Nous avons étudié la combustion de l’hydrogène en utilisant des bulles de savon. Nous avons créé des bulles de savon en soufflant des mélanges d’hydrogène et d’air vers une solution de savon sur la surface d’une table. Nous avons ensuite enflammé les bulles et nous avons étudié comment la flamme s’étendait et se déplaçait d’une bulle à l’autre. Cette expérience nous a aidés à comprendre comment disposer le matériel utilisant l’hydrogène de manière sécuritaire.
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UNE BATTERIE À L’HYDROGÈNE? Afin d’utiliser l’hydrogène comme source d’énergie propre, nous devons le stocker. Dans la plupart des cas, il doit être stocké sous forme de gaz dans des réservoirs à haute pression, ou sous forme liquide dans des réservoirs cryogéniques, c’est-à-dire très froids (jusqu’à -250 °C). Aucune de ces méthodes n’est idéale!
Croyez-le ou non, la minuscule fiole d’alliage de magnésium (poudre) contient autant d’hydrogène que ce ballon. Fascinant!
Aux LNC, nous étudions d’autres moyens de stocker l’hydrogène, notamment en le liant à d’autres liquides, en le stockant sous forme de gaz dans d’immenses grottes et, récemment, nous avons réussi à stocker l’hydrogène sous forme solide. On peut voir cette dernière option comme une batterie à hydrogène. Il s’agit d’un moyen plus sûr et plus rentable de stocker l’hydrogène, car il n’est pas nécessaire de conserver le liquide à très basse température et nous évitons les problèmes de sécurité liés aux réservoirs à haute pression. Nous avons récemment découvert un alliage (c’est à dire un mélange de métaux différents) à base de magnésium qui permettrait de stocker l’hydrogène avec l’aide d’un catalyseur, c’est à dire un matériau qui nous aide à créer et à rompre les liaisons hydrogène. Lorsque nous chauffons le métal, il libère l’hydrogène sous forme gazeuse qui peut ensuite être utilisé pour alimenter une pile à combustible. Le matériau peut être réutilisé à l’infini, comme une batterie rechargeable, mais avec de l’hydrogène plutôt que de l’électricité. Pour l’instant, cet alliage n’est qu’un concept, que les LNC entendent explorer. Nous l’avons produit en petites quantités et nous l’avons testé pendant plus de 1000 cycles. Plus tard, nous nous efforcerons de produire de plus grandes quantités de cet alliage et de poursuivre nos tests dans l’espoir d’offrir à la planète une autre technologie énergétique propre.
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Comment fait-on de l’électricité à partir de l’hydrogène? J’ignore si vous êtes comme moi, mais j’ai cru pendant de nombreuses années que les voitures à hydrogène brûlaient de l’hydrogène de la même manière qu’une voiture à essence brûle de l’essence. En fait, une voiture à hydrogène ressemble davantage à une voiture électrique, et ce grâce à une technologie appelée « pile à combustible ». Dans une pile à combustible, une réaction chimique se produit lorsque l’hydrogène et l’oxygène se mélangent. Ce mélange crée de la chaleur, de l’eau et, oui, de l’électricité. Ce type de moteur est beaucoup plus efficace que le moteur standard qui brûle de l’essence. Par masse, l’hydrogène contient trois fois plus d’énergie! Pour simplifier, une pile à hydrogène comporte deux plaques métalliques séparées par une membrane spéciale, et reliées au sommet par un fil ou un câble. L’hydrogène passe devant une plaque, et l’oxygène présent dans l’air passe devant l’autre. La membrane entre les deux plaques permet aux particules positivement chargées (les protons) de l’hydrogène de passer, laissant sur la plaque métallique les électrons chargés négativement. Ces électrons, qui préféreraient se lier à un atome d’oxygène, circulent dans le câble. Ce flux d’électrons est de l’électricité et il sert à faire tourner le moteur de la voiture. En atteignant l’autre plaque, les électrons peuvent alors se lier à l’oxygène de l’air qui absorbe instantanément les protons traversant la membrane pour former… de l’eau normale (H2O, c’est à dire deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène). De l’eau pure et un peu de chaleur sont les seules émissions de cette source d’énergie propre.
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Mots Mo ts mélangés!
Ton chef-d’œuvre…
Pouvez-vous déchiffrer les mots mélangés, dans ce numéro d’Enfants CONTACT? Envoyez une photo de votre page remplie à communications@cnl.ca et vous pourriez gagner un prix!
ÈHEYONRGD Willow
RÉINGEE AUE HO2 TOUPMRI
Isla
Elissa
MITUITR TÉIEMUDRU NCCEISE UONOSBIMTC
Olivia
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Défi « Fais-moi un dessin! » Nous nous approchons des Jeux d’hiver de l’Ontario de 2022. Pour le défi « Fais-moi un dessin! » de ce numéro, nous vous demandons de nous envoyer votre dessin de votre sport d’hiver préféré. Expédiez-nous une photo de votre dessin à communications@cnl.ca.
Aliya
Westin
Eva
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Dans cette rubrique, nous présentons une image prise dans nos laboratoires de science des matériaux et qui illustre de près le milieu dans lequel nous travaillons. Dans ce cas ci, nous présentons une vue plus détaillée de l’alliage de stockage d’hydrogène que nous avons mentionné à la page 6.
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Communications des LNC 286, rue Plant, Station 700 A Chalk River (Ontario) K0J 1J0 1-800-364-6989 communications@cnl.ca www.cnl.ca
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Les bords rugueu x qui ressemblent à de s flocons de neige jouent le rôle d’une éponge, et absorbent l’hydrogène, ce qui lui permet de se lier au mét al.
Si tu as une question à nous poser, envoie-la par courriel à l’adresse communications@cnl.ca Nous en parlerons dans le prochain numéro!
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