Le thorium, miracle énergétique ?

Énergie et matières premières
Par Michel Gay
Publié le 9 octobre 2016  

Le combustible thorium est une option intéressante pour le futur. L’a-t-on délaissé un peu trop vite ?


Thorium By: Science Activism – CC BY 2.0

Aujourd’hui, dans le monde, l’uranium est le combustible de tous les réacteurs nucléaires de production d’électricité1. Techniquement, un autre élément serait envisageable : le thorium.
Régulièrement, des articles et des émissions de télévision2 présentent le thorium avec des avantages supérieurs à ceux de l’uranium. Presque une panacée… Le thorium serait notamment plus abondant que l’uranium, produirait moins de déchets et empêcherait la prolifération nucléaire.

Thorium : a-t-on vraiment gâché cette voie miraculeuse pour le nucléaire ? 
Comparons les deux « voies ».

• La voie actuelle de l’uranium 

Le terme « uranium » (U) recouvre une famille d’uranium (U232, U233, U235, U238) ayant des noyaux atomiques différents. Ils sont appelés « isotopes »
De manière schématique, tout démarre avec la fission de l’uranium 235 (U235) qui est le seul isotope « fissile » existant dans la nature. Il permet donc de débuter une réaction nucléaire qui fournit de l’énergie. En même temps, il transforme partiellement l’uranium 238 (U238), présent dans le réacteur, en plutonium (Pu239) qui, lui, est fissile. L’U238 est dit « fertile » car il ne se casse pas directement pour donner de l’énergie.

Ce Pu239 créé (il n’existe pas dans la nature) fissionne donc à son tour, donne de l’énergie et transforme lui-aussi l’U238 en Pu239, et ainsi de suite….

C’est le « cycle uranium » (U238 / Pu239). Ce cycle uranium est exploité dans tous les réacteurs actuels3 sous des modalités diverses.

Parmi ceux-ci, seuls les surgénérateurs produisent autant, ou plus, de matière fissile (Pu239) qu’ils n’en consomment. Cette « régénération » permettrait de consommer tout l’uranium naturel (U235 et surtout U238) pour produire de l’électricité et de la chaleur pendant des milliers d’années pour le monde industrialisé.

Toutefois, l’U235 est relativement rare car il ne représente que 0,7% du minerai d’uranium (le reste étant justement de l’U238). Au rythme de consommation des réacteurs actuels, les réserves techniquement et économiquement accessibles dans l’écorce terrestre sont estimées à moins de 200 ans.

D’où l’intérêt de s’en affranchir et de construire des réacteurs surgénérateurs qui utiliseraient tout l’uranium naturel disponible, au lieu de moins de 1% aujourd’hui. Ils multiplieraient donc par 100 la durée des réserves utilisables.

La France dispose d’usines d’enrichissement de l’uranium naturel. Les réserves d’U238 stockées « sur étagère » (il n’y a pas besoin de l’extraire d’une mine) correspondent déjà à environ 3000 ans de production électrique actuelle en s’appuyant sur des réacteurs surgénérateurs. 

 

• La voie du thorium

Le thorium 232 (Th232) n’existe que sous cette seule forme dans la nature. Il n’est pas « fissile » mais seulement « fertile » (tout comme l’U238). On ne peut donc pas en extraire de l’énergie directement par fission. Il doit d’abord être transformé en U233 qui, lui, est fissile. C’est le « cycle thorium » (Th232 / U233).

Mais il faut une « allumette » fissile pour créer de l’U233 à partir de Th232, tout comme pour créer du Pu239 à partir d’U238. Celle-ci peut être de l’U235 (présent dans la nature) ou du Pu239 (produit dans les réacteurs nucléaires actuels). Ces deux derniers éléments ne seront plus nécessaires lorsqu’une quantité suffisamment importante d’U233 aura été fabriquée.

Il ne peut donc pas exister de cycle thorium « autonome » (basé sur Th232 et U233) sans s’appuyer d’abord sur le cycle uranium, et notamment sur le PU239 puisque l’U235 est relativement rare.

Ensuite, au fur et à mesure de la production d’U233, les réacteurs fonctionnant sur le cycle uranium pourraient disparaître. Toutefois, cette période « transitoire » devrait durer au moins une centaine d’années4. Il faut accepter de vivre d’abord longtemps avec le cycle uranium avant de passer exclusivement au cycle thorium !

L’utilisation de l’immense ressource naturelle de Th232 implique aussi l’acceptation de la technologie des surgénérateurs (comme PHENIX qui, en France, a fonctionné pendant près de 40 ans).

Il faut noter que le référentiel de sécurité de l’utilisation du cycle uranium dans les réacteurs actuels (surgénérateurs ou non), de même que celui des usines de fabrication du combustible et de recyclage des déchets, a l’énorme avantage d’exister. Son élaboration a demandé des décennies de réflexion de travail au niveau mondial pour établir des normes et des procédures applicables internationalement.

Or, actuellement le référentiel de sécurité pour les réacteurs et les usines de retraitement du cycle thorium qui seront techniquement différents (en particulier parce qu’ils utilisent une technologie de sels fondus à haute température) n’existe tout simplement pas.

Les produits de fission qui dominent la radiotoxicité et l’émission de chaleur des déchets nucléaires pendant plusieurs centaines d’années sont équivalents pour les cycles thorium et uranium à production électrique identique.

Seule la radiotoxicité de certains autres déchets (les actinides) sera diminuée dans le cycle thorium si le retraitement (qui reste à inventer) arrive à atteindre les performances actuelles du cycle uranium. Mais ce gain concernera de « gros » éléments qui resteront en sous-sol longtemps après que leur radiotoxicité aura disparu. Ils ont en effet une très faible mobilité dans les environnements géologiques pour lesquels le stockage géologique souterrain CIGEO est défini actuellement en France (situé à 500 mètres de profondeur).

En revanche, les manipulations du combustible thorium sortant des réacteurs seront rendues délicates5 pour les travailleurs du nucléaire par la présence d’U232 hautement « gamma radioactif ».

Selon certains journalistes6, l’uranium aurait été privilégié au départ du développement industriel du nucléaire civil – celui qui sert à produire de l’électricité ou des radio-isotopes pour la médecine – principalement parce qu’il permettrait aussi la réalisation de bombes atomiques.

Cette affirmation est partiellement fausse7, notamment pour les réacteurs à eau pressurisée (PWR8) majoritaires (60%) dans le monde9. Aucune bombe atomique n’a jamais été réalisée à partir de matières extraites de réacteurs PWR car ils produisent un plutonium de « mauvaise qualité » inadéquat pour fabriquer une bombe. Pour une finalité militaire, la simple technique de séparation d’U235 à l’aide de centrifugeuses est bien plus efficace et ne nécessite aucun réacteur nucléaire.

C’est un leurre de croire que les potentialités militaires du nucléaire seraient éliminées parce que l’U235 et le Pu239 ne seraient plus utilisés. En effet, une bombe contenant de l’U233 a été testée dans le Nevada en 1955.


 
Alors, uranium ou thorium ? 
Une production d’électricité fondée sur le cycle thorium reste un concept séduisant. Mais ses vertus proclamées d’une ressource encore plus abondante que l’uranium (déjà immense avec les réacteurs surgénérateurs), d’une meilleure sécurité, d’une plus faible production de déchets, et d’une limitation de la prolifération d’armes nucléaires doivent être relativisées.

Le thorium est certes une filière énergétique envisageable. Les scientifiques et les ingénieurs l’avait bien perçu dès la naissance du nucléaire civil, mais ce n’est pas une filière miracle. Ceux qui cherchent à le faire croire ont surtout pour but de contrer le nucléaire en général en discréditant les décisions et le patient travail des responsables passés et actuels de la filière nucléaire.

Le combustible thorium est une option intéressante pour le futur lointain (au-delà de 2100 ?) qui mérite que les études soient poursuivies sans perdre de vue les réalités industrielles.

1. Cet article est inspiré par un texte d’Hubert Flocard http://euanmearns.com/molten-salt-fast-reactor-technology-an-overview/ 
2. La dernière émission date du 20 septembre 2016 sur ARTE.
   
3. Dans un réacteur à eau pressurisée, environ un tiers de la chaleur est produite par le plutonium 239 issu de l’uranium 238. Le reste provient de la fission de l’uranium 235.  
4. Conférence de Dominique Grenéche https://www.youtube.com/watch?v=uPkA9xU1eqo
5.  https://www.youtube.com/watch?v=uPkA9xU1eqo  
6. Émission sur ARTE le 20 septembre 2016 : « Thorium, la face gâchée du nucléaire ».  
7. Seuls certains réacteurs russes ou de type CANDU (canadiens) peuvent produire du plutonium de qualité militaire.  
8. PWR : Pressurized Water Reactor  
9. http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/parc-nucleaire-mondial-production-d-electricite
   

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