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02 Kann 2016 | La Revue POLYTECHNIQUE 03/2016 | Physique nucléaire
Les réacteurs au thorium: avantages et inconvénients
Toutes les tranches nucléaires actuellement en exploitation dans le monde reposent sur l’uranium 235, qui est fissile. Il existe toutefois deux autres isotopes pouvant être fissionnés par des neutrons thermiques: l’uranium 233 et le plutonium 239. Si la production d’électricité au moyen d’U-233, qui peut être généré à partir de thorium, ne s’est pas encore imposée sur le marché, toute une série de concepts sont néanmoins en développement.
Ni l’uranium 233 (U-233), ni le plutonium 239 (Pu-239) n’existent dans la nature. Le Pu-239 se forme par irradiation neutronique d’U-238. Quant à l’U-233, il se forme de façon similaire à partir du thorium 232 (Th-232). Dans les années soixante, Alvin Weinberg a exploité pendant quelques années un réacteur conçu sur cette base à l’Oak Ridge National Laboratory, aux États-Unis. Le réacteur au thorium est ensuite pratiquement tombé dans l’oubli. Dans sa dernière publication1, Edward Teller a néanmoins fait référence, avec Ralph W. Moir, à ce type de réacteur.

Premières expériences: Alvin Weinberg. pionnier du nucléaire, note l’excellent résultat obtenu par le réacteur à sels fondus d’Oak Ridge en 1967. (Photo: Oak Ridge National Laboratory)
L’Inde reconnaît le potentiel du thorium
C’est avant tout aux États-Unis et en Occident que l’on a négligé le thorium. L’Inde en dispose d’importants gisements, alors que les réserves mondiales d’uranium semblaient très limitées au début des années 1960. L’ancien président de l’autorité indienne responsable du nucléaire, Homi Bhabha, a eu le mérite de reconnaître dès cette époque le potentiel du thorium, mais aussi les problèmes posés par son utilisation. Il a alors conçu un plan en trois étapes, qui devait permettre à l’Inde d’atteindre l’autarcie énergétique en quelques décennies.
Ce plan reposait sur l’idée que le thorium n’étant pas un combustible nucléaire, il faut l’amorcer au moyen d’une matière fissile. Homi Bhabha a opté pour le plutonium. Il en a déduit que le pays devrait passer par les trois étapes suivantes:
- Développement ou acquisition de réacteurs nucléaires basés sur le cycle uranium-plutonium. Recyclage des crayons combustibles usés et séparation du plutonium formé.
- Utilisation du plutonium ainsi obtenu pour démarrer des réacteurs à neutrons rapides à base d’uranium et ainsi intensifier la production de plutonium.
- Dès que la quantité de plutonium disponible sera suffisante, construction de réacteurs au thorium, dont la partie intérieure du cœur, composée de plutonium, sera entourée d’une couverture de thorium permettant de générer de l’U-233. Remplacement progressif des crayons de Pu usés par des crayons d’U-233.
La première phase, qui dure depuis des années, repose avant tout sur des réacteurs à eau lourde et de l’uranium naturel. Dix-huit réacteurs de ce type sont actuellement en exploitation en Inde, produisant à la fois de l’électricité et du plutonium.
La phase 2, à savoir le développement et la construction de réacteurs à neutrons rapides, a pris énormément de retard. Le premier réacteur de ce type devait néanmoins entrer en service en 2015 sur le site de Kalpakkam, dans l’État du Tamil Nadu.
La troisième étape est en préparation. Des essais menés avec des crayons de thorium exposés à un flux neutronique devraient fournir les données et l’expérience nécessaires à la construction du premier surgénérateur au thorium. L’U-233 obtenu lors de ces essais suffit déjà à l’exploitation d’un petit réacteur de recherche. Il s’agit pour l’heure du seul réacteur au monde alimenté à l’U-233 .
La stratégie de la Chine
La Chine suit une tout autre stratégie. Le développement économique fulgurant qu’elle a connu au cours des dernières décennies a généré d’énormes besoins en électricité qui, jusqu’à présent, ont été en majeure partie couverts par le charbon. Les plus hautes autorités du pays ne sont pas sans savoir que cet approvisionnement pose d’énormes problèmes environnementaux et sanitaires. Elles ont donc décidé de miser à fond sur le développement du nucléaire.
À l’heure actuelle, le pays construit avant tout des réacteurs de troisième génération, tout en testant tous les types de réacteurs imaginables, dont ceux au thorium. Ce volet de la recherche chinoise en matière de réacteurs a une genèse intéressante.
La publication précitée de Moir et Teller était de nature scientifique. Moir a ensuite rédigé, en collaboration avec Robert Hargraves, une version destinée à la vulgarisation. Les deux scientifiques ont décrit le réacteur expérimental à sels fondus exploité avec succès par Alvin Weinberg dans les années soixante à l’Oak Ridge National Laboratory, et esquissé un développement possible de ce prototype.
Publié dans une revue très connue, l’American Scientist2, leur texte a retenu l’attention du vice-président de l’académie chinoise des sciences, Jiang Mian Heng. En tant que haut fonctionnaire scientifique (et fils de l’ancien président du pays Jiang Ze Min), celui-ci avait assez d’influence pour lancer immédiatement un projet de recherche sur le sujet. Il réussit à se faire inviter à Oak Ridge par le département américain de l’énergie, afin de se procurer toutes les informations disponibles sur le réacteur de Weinberg. Aujourd’hui, 450 personnes travaillent au développement d’un réacteur à sels fondus au thorium, à l’lnstitute of Applied Physics de Shanghai.
La recherche porte avant tout sur la corrosion. Il est évident que les sels de fluorure sont très agressifs à haute température et que seuls des alliages extrêmement robustes pourront résister à la corrosion pendant des années. Il est prévu, lors d’une étape intermédiaire, d’effectuer des tests avec des sphères de graphite contenant le combustible, qui seraient refroidies avec un mélange de fluorures.
S’agissant du réacteur à haute température refroidi au gaz, le développement est assez avancé. Un réacteur expérimental de ce type est en service depuis dix ans à l’université Tsing Hua de Pékin et un prototype est en construction près de Wei Hai, dans la province de Shandong. Il sera doté de deux réacteurs et devrait entrer en service en 2017. Il s’agit d’un réacteur à lit de boulets de type Schulten, dont le combustible peut également contenir du thorium. Actuellement, à notre connaissance, l’Inde et la Chine sont les deux seuls pays à s’être dotés d’un programme de développement étatique portant sur les réacteurs au thorium.

Matière première pour la production d’énergie, le thorium est présent sur Terre sous la forme de différents composés chimiques. Il est encore plus répandu que l’uranium. On voit ici de la thorianite, un minéral composé d’oxyde de thorium (ThO2). (Photo Thomas Schüpbach/NMB)
Les projets de développement
Le renoncement des autres pays a conduit à un phénomène intéressant, jusqu’alors inconnu dans le domaine du nucléaire: des jeunes entreprises se sont lancées dans le développement de toute une série de concepts. En voici quelques exemples:
Martingal.Mené par les frères Jack et Dave Devanney, ce groupe propose un réacteur à sels fondus faisant exclusivement appel à des techniques et processus connus et éprouvés. Ce concept a été baptisé «ThorCon». Au lieu de développer des matériaux capables de résister pendant 40 ans à des températures élevées et à des irradiations extrêmes, on remplace tous les quatre ans les modules de réacteur complets. Les frères Devanney ont de l’expérience dans la construction de navires et ils veulent construire des réacteurs de la même façon: rapidement, simplement, et à faible coût.
Terrestrial Energy.Le Canadien David Le Blanc a développé un réacteur à sels fondus conçu de façon aussi simple que possible. Son «Integral Molten Salt Reactor» (IMSR) contient un seul mélange de sels, sans couverture fertile. Contrairement au «Liquid Fluoride Thorium Reactor» (LFTR), dans lequel les produits de fission sont séparés en continu du sel liquide, ces produits restent dans le mélange de sels pendant toute la durée de vie du réacteur, d’où un risque potentiel lié à la chaleur résiduelle, qui est élevée.
Institute for Solid-State Nuclear Physics. Sis à Berlin, cet institut, financé par des fonds privés, a suscité l’attention avec son «Dual Fluid Reactor». Il a remporté la première place d’un concours consacré aux technologies vertes, avant d’être exclu de la compétition par les organisateurs. Les spécialistes estiment toutefois que le concept a peu de chances de s’imposer et l’on ignore si un financement a pu être trouvé pour un développement expérimental.
Steenkampskraal Thorium Ltd. (STL).L’Afrique du Sud a tenté de développer le réacteur à lit de boulets allemand (réacteur Schulten), qui est similaire au réacteur modulaire à haute température (HTMR) développé en Chine, jusqu’au stade de la maturité industrielle. L’essai a dû être arrêté en 2010 pour des raisons financières. Un particulier, Trevor Blench, poursuit le projet sous une forme modifiée. Sa société, la STL, détient les droits liés aux grands gisements de thorium et de terres rares d’Afrique du Sud.
Le projet Samofar(Safety Asessment of the Molten Salt Fast Reactor) occupe une place particulière. Il s’agit d’une collaboration formée de onze groupes de recherche (dont l’Institut Paul Scherrer) et d’entreprises européennes. Un financement de base est fourni par l’UE. Les travaux sont coordonnés par l’université de Delft (Pays-Bas). L’objectif du projet est de vérifier les aspects sécuritaires particuliers aux réacteurs à sels fondus et de démontrer leur adéquation. Il s’agit notamment de:
- vérifier le fonctionnement du bouchon de sécurité thermosensible qui permet au sel combustible de passer dans une configuration sous-critique;
- mesurer les données relatives aux sels qui sont pertinentes pour la sûreté;
- étudier de nouveaux revêtements, tels que les alliages en nickel, pour les matériaux structurels;
- modéliser la dynamique de la circulation naturelle des sels liquides lorsqu’ils chauffent;
- vérifier les procédés chimiques visant à extraire les lanthanides et les actinides du sel combustible.
Les travaux ont commencé en août 2015.
Il convient encore de mentionner l’institut de recherche de Rez près de Prague, où des travaux de recherche sont menés avec du fluorure de lithium.
Il ne s’agit là que d’une sélection de projets portant sur le thorium utilisé comme base pour la conception de réacteurs nucléaires d’un type nouveau. Tous ces projets ont un point commun: la difficulté de trouver un financement. C’est compréhensible. Les investisseurs de capital-risque ont pour habitude de procéder par étapes clairement définies. Or, dans le cas du développement d’un réacteur, les coûts peuvent vite devenir élevés et difficiles à calculer. Il est tout à fait possible de réaliser les premières études de faisabilité pour quelques millions, mais les expériences portant sur des composants individuels peuvent vite se chiffrer en dizaines de millions. Et les coûts prennent vraiment l’ascenseur lorsqu’on se met à construire des prototypes. Ils peuvent même s’avérer impossibles à évaluer, en raison des inconnues liées à l’homologation par les autorités (caractère imprévisible de la procédure, du calendrier et des exigences).
Le bilan neutronique
Les réacteurs fonctionnant à 100 % au thorium peuvent être utilisés comme convertisseurs ou comme surgénérateurs. Ce ne sont toutefois pas des surgénérateurs très efficaces, et ce pour plusieurs raisons. L’une d’entre elles est due à leur faible production de neutrons. La fission d’U-233 produit à peine 2,5 neutrons en moyenne, contre 2,88 pour le Pu-239. À cela s’ajoute le fait que le proactinium (Pa-233) absorbe des neutrons, d’où un taux de surgénération à peine supérieur à un, ce qui veut dire que le réacteur ne produit pas beaucoup plus d’U-233 que ce dont il a besoin pour fonctionner. Il faudra donc toujours de la matière fissile provenant d’une autre source - par exemple du plutonium issu de réacteurs à eau légère ou à neutrons rapides - pour amorcer un réacteur au thorium. Le parc nucléaire idéal de demain devrait donc comprendre des réacteurs à eau légère, des surgénérateurs et des convertisseurs de thorium. Il est en outre possible d’ajouter du thorium dans le combustible à l’uranium, car les neutrons thermiques peuvent convertir efficacement le thorium en combustible.
Peu de déchets nucléaires
Le cycle thorium-uranium présente plusieurs avantages par rapport au cycle uranium-plutonium. Tout d’abord, le thorium est plus répandu sur Terre que l’uranium. Cet atout n’a toutefois qu’une pertinence limitée: certes, il y en a quatre fois plus dans la croûte terrestre, mais les réserves prouvées et supposées des mines exploitables ne sont pas beaucoup plus grandes.
Son principal avantage est lié aux matières résiduelles: l’U-238 forme le Pu-239 par capture d’un seul neutron. Il donne ensuite naissance à toute une série d’autres éléments transuraniens ayant des demi-vies de l’ordre de quelques milliers d’années (Pu-239: 24’111 ans). Ces transuraniens rendent le stockage définitif coûteux et font très peur aux populations.
Il en va tout autrement du thorium: pour former du Pu-239 à partir de Th-232, il faut sept captures neutroniques successives, une suite d’événements hautement improbable. De ce fait, le thorium ne génère pratiquement pas de déchets en dehors des inévitables produits de fission.
S’agissant de la prolifération (diffusion de matières pouvant servir à fabriquer des armes), les avis sont partagés, Certains estiment que le réacteur au thorium est particulièrement résistant à la prolifération, car l’irradiation neutronique d’U-233 produit des traces d’U-232, lequel se désintègre, entre autres (la chaîne de désintégration est longue) en thallium-208, un puissant émetteur gamma dont la radioactivité empêche toute manipulation simple du sel fondu en vue de produire de l’U-233. D’un autre côté, on peut théoriquement séparer chimiquement le Pa-233 produit par capture neutronique et le faire se désintégrer en U-233 pur, une matière idéale pour la fabrication de bombes.
Le Liquid Fluoride Thorium Reactor (LFTR)
Le LFTR est un réacteur à sels fondus comportant deux parties, le cœur et la couverture. Le combustible U-233 est dissout sous forme de tétrafluorure d’uranium (UF4), dans un mélange de fluorure de lithium (LiF4) et de fluorure de béryllium (BeF2) appelé «FLiBe». La criticité est atteinte par augmentation de la concentration d’UF4. Le coefficient de température est si fortement négatif, qu’un pilotage du réacteur n’est en soi pas nécessaire. Le sel liquide fait tout à la fois office de combustible, de modérateur et de réfrigérant. Il transmet de la chaleur à haute température (700 °C) à un circuit de sels secondaire, qui la transmet ensuite au générateur de vapeur. Le circuit primaire subit une étape chimique lors de laquelle les produits de fission nouvellement formés, séparés en gaz, fluorures et métaux nobles, sont extraits du sel en continu.
Dans la couverture, on a du tétrafluorure de thorium (ThF4) dissout dans le sel, au lieu d’UF4. Les neutrons en provenance du cœur convertissent le thorium en Pa-233 (demi-vie de 27 jours), lequel se désintègre en U-233, qui reste dissout dans le sel sous forme d’UF4. Pour en faire du combustible utilisable dans le cœur, le sel de la couverture subit lui aussi une étape chimique lors de laquelle du gaz fluoré y est introduit. L’UF4se transforme alors en hexafluorure d’uranium (UF6), qui est ensuite retransformé en UF4au moyen d’hydrogène et introduit dans le cœur pour servir de combustible.
Auteur: Simon Aegerter, docteur en physique
Source: Forum nucléaire suisse
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Moir R. W. and Teller E .. «Thorium-Fueled
Underground Power Plant Based on Molten Salt Technology». in: Nuclear Technology, Volume 151/Number 3, pages 334-340, September 2005
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Hargraves R. and Moir R. W. Liquid Fluoride
Thorium Reactors - An old idea in nuclear power gets reexamined, American Scientist, Volume 98/Number 4, pages 304-313, July/August 2010