Industrie nucléaire Centrale Nucléaire : réacteur Fusion et fission

Nucléaire vert et Réacteurs au Thorium

08/02/202408/03/2024 Philippe du Chélas

Nucléaire vert et Réacteurs au Thorium seront-ils la ressource de demain pour notre sécurité énergétique ?

On évoque en effet souvent le thorium comme le combustible d’un nucléaire vert.

Le thorium est un métal de la famille des actinides au moins trois fois plus abondant que l’uranium.

Par contre il n’est pas fissile et ne peut donc pas être servir directement de combustible nucléaire dans les réacteurs actuels.

L’isotope naturel du thorium est le thorium 232 qui n’est pas fissile.

L’objectif sur lequel le CNRS travail avec le réacteur expérimental ITER sur le site du CEA à Cadarache permettrait d’utiliser le thorium dans un réacteur à fusion.

Il s’agirait alors d’une fusion thermonucléaire contrôlée. Le thorium pourrait devenir le combustible d’un nucléaire vert (ou plutôt plus vert) dans le futur.

Les atouts du thorium serait alors nombreux : moins de déchet dangereux, pas d’emballement du réacteur et aucun risque de prolifération.

Changement de réacteur

Pour comprendre notre technologie nucléaire actuelle, il faut se remémorer que les premières centrales servaient à développer la bombe nucléaire.

C’est la raison pour laquelle cette industrie utilisa l’uranium qui permet d’obtenir du plutonium.

On en connaît les conséquences aujourd’hui : une production importantes de déchets radioactifs de longues durées de vie.

Le thorium est quant à lui un combustible fertile similaire à l’uranium 238.

Seul, il ne peut servir de combustible.

Ainsi son utilisation dans un réacteur classique (à eau) doit se faire en association avec des éléments fissiles capables d’entretenir une réaction en chaîne.

En effet le démarrage d’un réacteur fonctionnant avec un cycle thorium-uranium 233 ne peut se faire que de deux manières :

avec un combustible d’uranium 235 ou de plutonium que l’on remplace par de l’uranium 233 provenant du thorium
avec une charge d’uranium 233 résultant de l’irradiation du thorium dans les réacteurs

Au final, démarrer et entretenir des réactions nucléaires avec le thorium impose des quantités suffisantes de matières fissiles qui sont soit l’uranium 233, l’uranium 235 ou le plutonium 239.

Principal détail, ces trois matières peuvent servir à fabriquer des bombes.

De ce fait le thorium que l’on transforme en matière fissile par capture de neutrons, est une des matières répertoriée par le traité sur la non-prolifération des armes nucléaires (TNP).

Thorium et fusion

Le thorium est fissible avec une température de fusion de 1750 degrés Celsius.

Il ne peut donc pas servir dans nos réacteurs actuels (REP) mais pourrait s’employer dans des réacteur à sels fondus (RSF) sous une forme liquide.

En effet le combustible serait un cocktail de sels fondus de fluorures, de thorium 232 , d’uranium 233 et de lithium.

Un réacteur RSF pourrait ainsi alors atteindre une production de 1000 mégawatts électriques soit la puissance des réacteurs actuels).

Le secret, c’est que le RSF devient alors un surgénérateur capable de générer plus d’uranium 233 qu’il n’en consomme.

Par contre, les produits de fission capturant les neutrons font baisser la production d’uranium 233 et nécessite d’extraite les sels pour un traitement régulier.

De même l’uranium 233 produit en excès doit être retiré pour être stocké.

Ainsi, nucléaire vert et Réacteurs au Thorium nécessitent le changement de notre parc actuel.

Sur le plan de la technologie, la mise en œuvre balance entre un RSF à neutrons lents et un RSF à neutrons rapides.

Avec le RSF à neutrons lent que l’on appelle aussi à spectre thermique, le graphite permet de modérer la vitesse des neutrons.

Son inconvénient est une production importante de combustible à retraiter quotidiennement. Sans compter les risques d’incendie.

De son côté, le RSF à neutrons rapides, le fameux MSFR pour Molten Salt Fast Reactor soit à spectre rapide, fonctionnerait sans graphite.

Le CNRS planche sur cette solution qui soulève la problématique de la résistance des matériaux. En effet certains produits produits de fission sont très corrosifs.

Réduction des Déchets

Le RSF à neutrons rapides générera des déchets comme aujourd’hui mais en quantité moindre ce qui serait un atout pour leur gestion.

Le produits de fissions devront être retirés du circuit en continu par bullage d’hélium. Environ 0,1 % actinides finiront en déchets tandis que le reste pourra être remis dans le cœur.

De même, il sera nécessaire d’assurer le pompage de 40 litres de sels.

Le thorium produit notamment le protactinium 231, un actinide mineur très radiotoxique ayant une période de 33 000 ans.

Et il produit également du technétium 99 ayant une période 215 000 ans.

Actuellement le parc des réacteurs REP produit près de 960 kg d’actinides.

Le même parc avec des RSF à neutrons rapide en produirait 300 kg.

Et cela sans sans émission de gaz à effet de serre.

L’avenir du nucléaire vert

Le réacteur RSF à neutrons rapides n’existe aujourd’hui qu’à l’état de concept théorique.

C’est le Laboratoire de Physique Subatomique de Grenoble qui étudie son développement.

Sinon, l’Allemagne, l’Angleterre et les États-Unis ont déjà testé le thorium.

Une exploitation du premier réacteur commercial au thorium fut faite avec Shippingport pour une durée de 5 ans.

Ce réacteur de Shippingport testa la surgénération en spectre thermique avec un cœur Uranium 233 et Thorium 232.

De son côté la chine est sur un programme de réacteurs à sels fondus depuis 2011 et un réacteur à Wuwei de 2 mégawatts.

Avec son objectif de zéro émission carbone pour 2050, la chine espère construire un réacteur à sels fondus de 373 mégawatts pour 2030.

Le défi nucléaire vert et avec réacteurs au Thorium opérationnels est en cours.

Une question reste en suspens : alors que plus de 400 centrales nucléaires dans le monde utilisent l’uranium, sommes-nous à la veille d’une nouvelle filière nucléaire ?

Article : P. du Chélas