Le Thorium, minerai très abondant dans la croûte terrestre, est une des nombreuses pistes de réflexion pour l’avenir de la filière nucléaire. Ce métal offre des avantages pertinents sur de nombreux aspects, notamment en termes environnementaux et de sécurité d’exploitation. Néanmoins, l’exploitation du thorium dans le fonctionnement des centrales nucléaires demande de nombreuses recherches et les financements suffisants pour aboutir.
Pourquoi le thorium est-il un minerai pertinent dans la production d’électricité nucléaire ?
Lors des travaux de recherche sur la fission nucléaire comme source d’énergie dans les années 50-60, le thorium et l’uranium étaient étudiés. Après de nombreuses recherches, les spécialistes ont décidé de retenir l’uranium comme combustible principal des centrales nucléaires, car il peut également être exploité comme arme nucléaire. Le coût des recherches avec l’uranium pouvait ainsi être mutualisé.
En parallèle, comme l’Uranium, le Thorium est un élément chimique, découvert en 1829 par un chimiste suédois, M. Berzelius. On le trouve dans une roche appelée le monazite. Depuis plusieurs dizaines d’années, son exploitation en tant que combustible nucléaire est envisagée, car il possède de nombreux avantages.
Le thorium : plus abondant et efficace que l’uranium pour les centrales nucléaires
Le thorium est un métal présent en abondance dans la croûte terrestre. Les principales régions du monde où on retrouve du Thorium sont l’Inde, l’Australie et l’Antarctique. Mais, cocorico, la Bretagne possède également des gisements de thorium intéressants.
Au total, on estime qu’il y a trois fois plus de thorium que d’uranium sur Terre (7 ppm pour le thorium, contre 2,5 à 3 ppm pour l’uranium). Une fois son extraction effectuée, son exploitation dans les centrales nucléaires offre un rendement supérieur à l’uranium.
Un mélange avec l’Uranium nécessaire pour maintenir la réaction
Ce métal est un élément fertile, mais non fissile. Cela veut dire que le thorium :
- peut absorber des neutrons sans génération de chaleur (fertilité) ;
- ne peut pas séparer ses atomes (non-fissile).
Ainsi, pour générer et maintenir la réaction, le thorium doit être mélangé avec de l’uranium, élément naturellement fissile. Une fois en action, cette association génère une réaction nucléaire en chaîne et entraîne la création d’un nouvel élément : l’Uranium 233. Cet isotope a une probabilité de fission supérieure à l’isotope U-235, élément actuellement utilisé dans les centrales nucléaires. L’uranium 233 permet ainsi de générer une réaction en chaîne plus efficace.
Une surgénération possible avec ce métal
De plus, le thorium permet la surgénération. Ce concept consiste à créer lors de la réaction plus d’atomes fissiles que d’atomes utilisés pour la fission. En d’autres termes, la surgénération permet une création d’atomes neufs, prêts à créer de l’énergie, par rapport aux atomes déjà exploités dans la réaction. La réaction en chaîne se régénère ainsi en continu.
C’est du fait de cette “régénération en continu” que les centrales nucléaires au Thorium sont considérées comme plus vertueuses, car le combustible s’autoalimente.
Une meilleure sécurité d’exploitation sur ce type de centrale nucléaire
Le fonctionnement des centrales nucléaires utilisant le thorium évite tout risque de fusion du combustible. En effet, ces centrales utilisent le combustible sous forme liquide, à l’inverse des centrales à l’uranium, où ce sont des barres de combustibles solides. Avec un combustible sous forme liquide, les réacteurs à sels fondus jouent le rôle de système de refroidissement. Dans le cadre d’un problème majeur sur la centrale, les risques d’emballement du cœur du réacteur sont nuls.
Une réduction des déchets radioactifs générés lors de la réaction, mais plus risqués
Le second avantage des réacteurs à sels fondus est la réduction des générations de déchets radioactifs au terme de la réaction. De plus, ces déchets ont une durée de vie plus courte que ceux de l’uranium. Ils peuvent ainsi être compactés et stockés dans des espaces plus réduits. Cela réduit ainsi son impact logistique, et par extension, son impact environnemental.
Néanmoins, les déchets produits sont très irritants et irradiants, avec la création de rayons gamma notamment. Cette dangerosité au niveau des rayons demande une adaptation au niveau :
- des protections fournies au personnel sur place ;
- des conditionnements directs des matières dangereuses.
Les inconvénients du thorium
Bien que le thorium suscite un intérêt croissant en tant qu’alternative à l’uranium dans le domaine de l’énergie nucléaire, plusieurs défis freinent son adoption à grande échelle.
Complexités technologiques et risques nucléaires
Tout d’abord, le thorium-232, étant une matière fertile et non fissile, nécessite une transformation en uranium-233 pour devenir utilisable dans une réaction nucléaire. Ce processus requiert l’utilisation initiale de matières fissiles telles que l’uranium enrichi ou le plutonium, complexifiant ainsi le cycle du combustible. De plus, bien que le thorium génère moins de déchets à longue durée de vie que l’uranium, il produit de l’uranium-232, un isotope émettant des rayons gamma hautement pénétrants. Cette caractéristique complique la manipulation et le stockage des déchets, nécessitant des mesures de protection renforcées.
Par ailleurs, les technologies liées au thorium en sont encore au stade expérimental. Le développement de réacteurs adaptés implique des investissements considérables en recherche et développement, ainsi que des procédures d’homologation coûteuses. Cette situation rend son déploiement industriel incertain à court terme. Enfin, bien que le thorium soit plus abondant que l’uranium, son extraction et sa transformation en combustible prêt à l’emploi demeurent coûteuses et techniquement complexes, limitant pour l’instant sa compétitivité économique.
Deux industries nécessaires pour utiliser le thorium
Le développement d’un système nucléaire utilisant le thorium nécessite deux filières distinctes :
- Filière uranium avec thorium intégré : Un parc de réacteurs à eau exploitant des combustibles contenant du thorium, associé à un procédé de retraitement pour extraire l’uranium 233 ou le plutonium.
- Filière thorium dédiée : Un second parc de réacteurs amorcé avec des éléments fissiles issus de la filière uranium, couplé à un traitement spécifique pour recycler l’uranium 233.
Le retraitement des combustibles usés au thorium, via le procédé Thorex, reste indispensable mais peu développé : il n’a été testé qu’en laboratoire aux États-Unis et à un stade pré-industriel en Inde.
Bientôt des centrales nucléaires à sels fondus pour exploiter le thorium ?
Ce type de centrale reste encore à la marge dans le monde. L’Inde possède des centrales nucléaires au thorium en fonctionnement. Cela s’explique par :
- un accès difficile à l’uranium pour le pays ;
- une grande quantité de thorium dans ses terres.
Dans le contexte actuel en France, un réacteur de ce type ne verrait le jour qu’à la fin du siècle. La France a choisi en priorité d’augmenter son nombre de centrale dit de 3e génération, tel que l’EPR de Flamanville. Depuis le début des recherches dans les années 1950, de nombreuses installations et équipements ont été développés et mis en place partout dans le monde. Les investissements gouvernementaux sur ces technologies atteignent aujourd’hui le stade de maturation et de retour sur investissement.
De plus, les techniques d’exploitation et de retraitement de l’uranium sont bien connues par le personnel en place. Une exploitation du Thorium demanderait la création d’une deuxième filière du nucléaire, avec des installations et des techniques d’exploitation propres à ce métal.
La Chine lance en 2023 un prototype de réacteur nucléaire au thorium
En 2023, la Chine a mis en service son premier réacteur nucléaire expérimental au thorium, utilisant des sels fondus comme fluide caloporteur, dans le désert de Gobi près de Wuwei. Ce prototype de 2 MWe, autorisé pour dix ans, marque une avancée majeure.
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