Le thorium, un cadeau d’ Ásgard? Par Claire Haemmerlé

L’uranium ? C’est dépassé. Le plutonium ? Laissez tomber. Place au thorium ! Plus abondant sur terre et moins producteur de déchets, le thorium est parfois présenté comme le nucléaire vert du futur. Il aurait un énorme potentiel comme combustible nucléaire, avec des risques d’accident nucléaire et une production de déchets très fortement réduits.

I. Le Thorium

Pour produire de l’électricité à partir d’une réaction nucléaire, les chercheurs n’ont pas besoin de se casser la tête. Ils utilisent essentiellement de l’uranium 235, qui est la seule matière naturellement fissile (susceptible de subir une fission et donc de dégager de l’énergie) à l’état naturel. Disponible oui, mais en quantité mineure. Les chercheurs ont alors imaginé la fabriquer, comme elle venait à manquer. Coup de chance, ils avaient sous la main d’autres options, non fissiles mais fertiles : l’uranium 238 (l’uranium le plus fréquent dans la nature notamment utilisé dans les surgénérateurs) et le thorium 232.

Parlons du thorium, qui nous intéresse. Le thorium est un élément chimique, un métal de la famille des actinides, de symbole Th et de numéro atomique 90. Il a été découvert en 1829 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius et nommé d’après Thor, dieu nordique du tonnerre. Le thorium, ainsi que l’uranium et le plutonium, peut être utilisé comme combustible dans un réacteur nucléaire. Seul, le thorium n’est pas un combustible. L’intérêt est de le transformer en uranium 233. Placé dans un réacteur il doit être bombardé de neutrons. Par capture de ces neutrons, le thorium 232 se transforme après plusieurs étapes en uranium 233, qui est un élément fissile performant, ce qui facilite les réactions en chaîne. Réinjecté dans le réacteur, ce dernier rencontrera un neutron, produisant au passage d’autres neutrons qui, à leur tour, causeront de nouvelles fissions. C’est la réaction en chaîne, qui est productrice d’énergie. Mais attention, ne crions pas victoire trop vite: un réacteur alimenté au thorium ne pourra pas se passer d’uranium 235 ou de plutonium pour donner le signal du départ. Il faut une matière fissile disponible pour lancer la première réaction et obtenir des neutrons. Car il faut avoir une source intense de neutrons pour bombarder le thorium et donc créer une fission.

Il suffit de se baisser pour en ramasser

Le problème avec le nucléaire d’aujourd’hui, c’est que les ressources d’uranium ne sont pas infinies. Et puis, « si l’on développait le nucléaire de façon intensive, en multipliant notre consommation par un facteur 10 d’ici à 2050, on pourrait arriver à la limite de la ressource d’ici la fin du siècle », souligne Daniel Heuer, directeur de recherche au laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble. Le thorium, lui, se trouve en petites quantités dans la plupart des roches et sols, il est trois à quatre fois plus abondant que l’uranium, à peu près aussi fréquent que le plomb. Un terrain normal contient en moyenne environ 12 parties par million (ppm) de thorium. Il en existe de grands gisements en France (Bretagne), en Australie, en Inde et en Turquie. On trouve de la monazite à forte teneur en thorium en Afrique, en Antarctique, en Australie, en Europe, en Amérique du Nord et en Amérique du Sud. Mieux encore, pas besoin d’aller construire des mines, puisque le thorium se trouve déjà sur nos étagères. C’est un sous-produit des terres rares[1]. Rhodia (un des principaux groupes de l’industrie chimique française) en a 8 000 tonnes en stock environ. Et sachant que la Chine a le monopole des terres rares, il est difficile d’imaginer les quantités qu’elle a accumulées.

Un cycle régénérateur

Lorsqu’une réaction au thorium est lancée, elle s’alimente toute seule ou presque. Explication : Lors de sa fission, l’uranium 233 produit en moyenne 2,5 neutrons. Or, un neutron est nécessaire pour maintenir la réaction en chaîne, un peu plus d’un autre pour régénérer la matière fissile. En clair, avec le thorium, on obtient un cycle régénérateur, c’est-à-dire que la quantité de matière fissile produite est aussi importante que celle consommée par le réacteur. Le réacteur est donc moins gourmand en matière fissile au départ, et nous avons un combustible presque inépuisable. Résultat : on exploite moins de ressources.

Et les déchets dans tout ça ?

Il y a plusieurs types de déchets issus d’une fission nucléaire. Parmi les produits de fission (les cendres qui subsistent après la fission), certains sont très radioactifs mais ont une durée de vie moyenne de quelques centaines d’année, une durée humainement gérable par l’homme. D’autres ont une durée de vie longue (des millions d’années) mais sont peu radioactifs donc plus faciles à gérer dans des zones de stockage. Quoi qu’il arrive, ces produits de fission sont inévitables : « On ne peut jamais se débarrasser de ces noyaux-là. On peut éventuellement améliorer le rendement thermodynamique et les réduire de 30% mais c’est tout », explique Daniel Heuer. Reste l’épine dans le pied des industriels : le plutonium et les actinides mineurs (américium, curium, neptunium…). Ceux-là sont le résultat de fissions manquées. « Or il faut quelques milliers à quelques dizaines de milliers d’années pour que leur radiotoxicité commence à décroître », poursuit le scientifique. Et comme ils sont très actifs, donc très chauds, ils obligent les ingénieurs à concevoir des sites de stockage cinq à dix fois plus grands que pour les autres déchets. Il faut en effet étaler ces stocks d’actinides pour conserver le site à une température limitée à 95°C.

Mais le thorium a un avantage de taille : il laisse, dans son sillage, beaucoup moins d’actinides. « Il s’ensuit que la radiotoxicité des déchets est au moins dix à cent fois plus faible avec ce cycle qu’avec les cycles actuels recyclant le plutonium », expliquait Jean-Paul Schapira, directeur de recherche au CNRS, dans un article paru dans Les Cahiers de Global Chance, n°11, avril 1999, Chapitre sur le Cycle du combustible, Existe-t-il de nouvelles options pour le nucléaire du futur ?[2]. Mieux encore, « le dégagement thermique (de ces produits) est également réduit », poursuit le chercheur dans cet article. Il est donc plus aisé de les stocker.

Les chercheurs espèrent qu’à terme, il sera possible de se débarrasser des actinides déjà produits par le passé, qui encombrent le cœur d’un réacteur au thorium et les renfournant dans le réacteur. Selon certaines études sur la toxicité[3] le cycle du thorium est capable de recycler entièrement les déchets d’actinides et de rejeter uniquement les produits de fission. « À condition d’y avoir accès », tempère Daniel Heuer. « La plupart des actinides sont mélangés avec les produits de fission dans du verre. Ces verres sont conçus pour être inaltérable, il serait donc très difficile, voire impossible, d’en réextraire les actinides. Aux États-Unis en revanche, vu qu’aucun combustible n’a jamais été retraité, ce serait sans doute possible. ».

II. Pratique, disponible et écologique ? Mais qu’attends-t-on ?

Des recherches qui ne datent pas d’hier

Des études de réacteurs au thorium avaient été lancées dès le milieu des années 1950, motivées par la crainte d’une pénurie d’uranium, et des réacteurs expérimentaux au thorium avaient été construits. Différentes voies ont été proposées pour exploiter l’énergie du thorium. Les combustibles au thorium ont alimenté différents types de réacteurs, comme le réacteur à eau légère, le réacteur à eau lourde, le réacteur nucléaire à très haute température, le réacteur rapide refroidi au sodium, et le réacteur nucléaire à sels fondus. Avant 1960, l’énergie nucléaire est essentiellement orientée vers un usage militaire : avion à réacteur embarqué, sous-marin, bombe A. Parmi les nombreuses décisions menant à la poursuite de la filière uranium, la plus décisive a probablement été prise par l’amiral américain Rickover, directeur de Naval Reactors : il décida dans les années cinquante que le troisième sous-marin du type USS Nautilus serait alimenté avec de l’uranium 235 solide enrichi utilisant de l’eau pour refroidissement, car ce combustible peut parallèlement être utilisé pour produire du plutonium militaire. Le thorium, lui, est souvent prétendu inutilisable à des fins militaires. En effet, l’uranium 233 (obtenu après transmutation du thorium) peut encore servir à construire une bombe nucléaire après enrichissement. Le risque militaire n’est donc pas totalement écarté, il est seulement limité par l’empêchement de produire du plutonium fortement enrichi. Le cycle du thorium ne présentant pas d’intérêt militaire, ni pour faire des bombes atomiques, ni pour faire de la propulsion nucléaire, il n’a donc pas reçu les investissements de recherche et de développement nécessaires à son démarrage. Les moyens industriels et le savoir-faire technique se sont développés uniquement autour de l’uranium et du plutonium[4].

Le seul fait qu’il ne soit pas facilement utilisable pour faire des armes nucléaires ne justifie pourtant pas pourquoi il y a aussi peu de recherches menées sur le thorium. Le peu d’intérêt pour le thorium est aussi dû à des enjeux géopolitiques :

À la sortie de la Seconde Guerre mondiale, les grandes puissances espèrent imposer leurs hégémonies sur le marché des combustibles nucléaires. En particulier les USA, qui veulent rester la première puissance militaire via leur avancée dans le nucléaire, surtout qu’il n’est pas exclu que le thorium puisse servir à fabriquer du matériel militaire. Les États Unis tentent de racheter les combustibles que sont l’uranium et le thorium à la province indépendante du Travancore, au Brésil, à l’Afrique du Sud et au Congo. L’Inde se rend également compte des possibilités énergétiques et militaires que pourraient lui offrir son stock de thorium et essaye de mettre sous son contrôle les réserves de thorium du Travancore, devenues une ressource stratégique en 1944. L’Inde annexe le Travancore en 1947. Durant la guerre froide, l’énergie nucléaire est un argument politique très important. Il définit en particulier un comité restreint de grandes puissances, qui ont tout intérêt à rester peu nombreuses. Il est donc important de maintenir la possibilité de produire de l’énergie nucléaire de qualité militaire, tout en évitant le développement de cette technologie dans les pays émergeant comme l’Inde ou la Chine par exemple. Pour ces raisons, la politique internationale concernant le thorium a principalement été le maintien des connaissances acquises par les grandes puissances, tout en évitant de financer les recherches sur le thorium qui auraient pu contribuer à rendre autonomes en énergie et en armement les pays possédant des gisements importants : Brésil, Inde, etc.

Serait-ce l’énergie de demain ?

Le problème avec la réinjection des actinides produits dans le passé, c’est qu’ils rendent les réacteurs instables. Aussi les chercheurs imaginent-ils d’autres types de réacteurs, à sels fondus notamment. Conçus aux Etats-Unis dans les années 1960, ces réacteurs sont étudiés aujourd’hui par le laboratoire de Daniel Heuer, à Grenoble, qui planche sur une version moderne. Leur avantage ? « On peut récupérer tous les actinides, y compris ceux qui ont été produits depuis longtemps », souligne Daniel Heuer. « Et la sûreté est meilleure : Notre objectif c’est que dans un accident de type Fukushima, dans lequel tout le monde s’enfuirait, rien ne se passe. A Fukushima, les combustibles solides sont restés à l’intérieur du réacteur, il a fallu les refroidir sur place. Dans le cas d’un combustible liquide (comme le sel fondu), quand la température monte, une vanne s’ouvre et le liquide va dans des réservoirs conçus uniquement pour le recueillir et le refroidir passivement », souligne Daniel Heuer.

Réacteur à sels fondus

Le réacteur nucléaire à sels fondus (RSF) (en anglais, molten salt reactor : MSR) est un concept de réacteur nucléaire dans lequel le combustible nucléaire se présente sous forme liquide, dissous dans des sels fondus (600 à 900 °C) qui joue à la fois le rôle de modérateur, de caloporteur et de barrière de confinement. Cette technique consiste à dissoudre le minerai de thorium dans des sels fondus. Ensuite, cette solution est introduite dans une couverture fertile dans lequel il sera bombardé de neutron et transformé en uranium 233. Ensuite cette solution, qui est devenue fissile, est introduite au cœur du réacteur et est amenée rapidement à 800°C. Elle est régulièrement filtrée afin d’enlever une partie des déchets radioactifs, l’autre partie étant réutilisée. Le cœur du réacteur chauffe alors des sels fondus qui sont amenés à ébullition et produisent de l’énergie thermique qui sera transformé en énergie électrique. À cette technique s’ajoute de nombreux avantages. Tout d’abord le problème de disponibilité d’uranium est écarté, car le thorium est abondamment présent sur terre. Puis, le cœur du réacteur ne peut pas s’emballer, car la quantité de combustible est ajustée au fur et à mesure, contrairement aux générateurs actuels. De plus, les risques de dégradation ou d’explosion sont écartés, en effet les radiations n’ont aucun effet mécanique sur ce combustible liquide, alors que les crayons solides de combustible des réacteurs actuels se fragilisent sous l’effet du bombardement neutronique. En outre, le circuit de sels fondus fonctionne à l’air ambiant, ce qui règle les problèmes de pression. Le problème de Fukushima aurait été évité : en effet les réacteurs de 5^ème génération pourraient vidanger le combustible liquide dans 4 réservoirs assurant naturellement l’évacuation de la chaleur. Un autre avantage est que ces réacteurs pourraient résoudre en partie le problème de stockage des déchets nucléaires, effectivement, lors de la fission, le thorium produit jusqu’à 10 000 fois moins d’élément transuraniens[5] (déchets nucléaire dangereux pendant plusieurs milliers d’années), de plus, une partie de ses déchets sont réutilisés. Enfin, les menaces de prolifération sont réduites : sous l’effet des neutrons, le thorium se transforme en uranium 233 et non en uranium 232, qui émet des rayons gamma plus pénétrants.

La Chine a décidé de construire un réacteur à sels fondus mais dans sa version initiale imaginée dans les années 1960. En mars 2012, le ministre Wen Jiabao indique dans un rapport gouvernemental que la Chine doit accélérer son développement nucléaire, et mettre fin à « l’expansion aveugle » (selon ses termes) de l’industrie solaire et éolienne, pour réduire sa part de consommation de charbon qui s’élève à 80%. La Chine lance alors un projet de réacteur à sel fondu au thorium. Elle collabore avec les centres de recherche des universités de Berkeley, du MIT et du Wisconsin en ce qui concerne la sécurité de ces réacteurs. Ils veulent d’abord refaire ce qui a été fait avant. « C’est une démarche saine à mon sens. Ils réapprennent », souligne Daniel Heuer. Lors d’un atelier au Laboratoire national d’Oak Ridge aux États-Unis sur les Réacteurs à Sels Fondus (RSF), Mr Hongjie Xu, directeur à l’Institut de Physique Appliquée de Shanghai (SINAP) du programme TMSR (Thorium Molten Salt Reactor), a présenté une feuille de route qui montre que la Chine a le programme de Recherche et Développement le plus avancé au monde pour cette technologie. Il a détaillé un plan en plusieurs étapes pour construire des réacteurs de démonstration dans les cinq prochaines années, avec un déploiement commercial autour de 2030. L’Institut prévoit de construire un prototype de réacteur de 10 mégawatts avec un combustible solide, ainsi qu’un réacteur à combustible liquide de 2 mégawatts qui permettra de démontrer le cycle du combustible thorium-uranium, d’ici 2020. Un site a été retenu pour ces réacteurs à DAFENG (大丰市), à 300km au nord de Shanghai, avec l’accord de la province de Jiangsu et un accord de principe de l’autorité de sécurité nucléaire chinois, le NNSA. 700 ingénieurs nucléaires travaillent sur les réacteurs à sels fondus au SINAP, a dit Xu, un nombre qui dépasse de loin les autres programmes de recherche de réacteurs avancés à travers le monde. La recherche est financée jusqu’en 2017, dit-il; au-delà de cette date l’Institut est à la recherche de nouveaux fonds du gouvernement central, du gouvernement de Shanghai, et du secteur privé. SINAP a signé récemment un accord avec le groupe Fangda, un conglomérat chinois de grande envergure qui fabrique des produits de carbone, fer et acier, et des produits chimiques, pour aider à développer les liquides de refroidissement à sels fondus pour les réacteurs. Je suis très confiant que SINAP sera en mesure de porter son programme de réacteurs à sels fondus jusqu’à la commercialisation, dit Xu. Parce que, en général, le gouvernement chinois a l’intention de soutenir le développement des futures technologies pour l’énergie nucléaire. Et le marché chinois est très grand pour ces technologies.

En France, on ne peut imaginer un nouveau type de réacteur avant au moins trente ans. Seule exception, le projet de réacteur Astrid, mais qui fonctionnera avec un combustible solide et un cycle uranium-plutonium. Le réacteur ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration) est un projet français de prototype de réacteur rapide refroidi au sodium, porté par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) sur le site nucléaire de Marcoule (dans le Gard). Le projet ASTRID a pour objectif de relancer la filière des réacteurs à neutrons rapides au sodium, il a pour but de mettre au point une nouvelle génération de réacteurs nucléaires, les réacteurs nucléaires de 4^ème génération. Par opposition aux réacteurs dits de 2^ème et 3^ème génération en exploitation ou en construction actuellement en France, qui sont essentiellement des réacteurs à eau sous pression. Réacteur de 4^ème génération, il présente l’avantage de séparer et transmuter les actinides mineurs, assurant une gestion plus durable des déchets matières radioactives. « On est encore à l’état d’étude. Nos arrières petits-enfants le verront peut-être. Je ne dis pas qu’il ne faut pas faire de recherche mais il faut aussi faire feu de tout bois, prévoir un mix énergétique avec en première ligne les économies d’énergie, les utilisations rationnelles de chauffage. On doit avant tout mener une réflexion sur la meilleure utilisation possible de chaque source d’énergie », souligne Monique Sené (physicienne nucléaire, chercheuse au CNRS, et cofondatrice du Groupement des scientifiques pour l’information sur l’énergie nucléaire GSIEN).

Le mot de la fin

Les réacteurs à sels fondus semblent pour l’instant être une technologie très intéressante aux yeux des scientifiques et des ingénieurs pour les réacteurs nucléaires de 5^ème génération, et le Thorium occupe un part importante dans le choix des futurs combustibles. Mais attention, À chaque fois que quelque chose paraît nouveau, on pense qu’on va être sauvé avec ça. « Mais le thorium n’est pas quelque chose de miraculeux par rapport aux autres technologies existantes. C’est une option à étudier parmi d’autres », Daniel Heuer.

[1] Les terres rares désignent 17 métaux : le scandium, l’yttrium, et les quinze lanthanides. Ces matières minérales aux propriétés exceptionnelles sont utilisées dans la fabrication de produits de haute technologie.

[2] Voir : <http://www.global-chance.org/Le-nucleaire-en-debat-n-avons-nous-pas-le-temps-d-elaborer-des-solutions-acceptables>

[3] [PDF] (en) C. Le Brun, L. Mathieu, D. Heuer and A. Nuttin, Impact of the MSBR concept technology on long-lived radio-toxicity and proliferation resistance [archive], Technical Meeting on Fissile Material Management Strategies for Sustainable Nuclear Energy, Vienna 2005 (consulté le 20 juin 2010)

[4] <https://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_du_combustible_nucl%C3%A9aire_au_thorium>

[5] Les transuraniens, ou éléments transuraniens sont les éléments chimiques dont le numéro atomique est supérieur à celui de l’uranium, c’est-à-dire supérieur à 92. Ce sont tous des radioéléments n’ayant aucun isotope stable, produits artificiellement, au sein de réacteurs nucléaires pour les plus légers, et par des accélérateurs de particules de certains laboratoires de recherche spécialisés pour les plus lourds.

Sources :

Atelier au Laboratoire National d’Oak Ridge, sur les réacteurs à sels fondus. MSR – 2015 Workshop on Molten Salt Reactor Technologies, Commemorating the 50th Anniversary of the Startup of the MSRE, Oak Ridge, Tennessee, October 15-16, 2015. <https://public.ornl.gov/conferences/MSR2015/index.cfm>.

Colloque: le nucléaire du futur, organisé par la Fondation Ecologie d’Avenir,Collège des Bernardins, 75005 Paris. Le jeudi 22 novembre 2012. Daniel Heuer : Thorium et sels fondus. <https://fissionliquide.fr/tag/daniel-heuer>.

Cycle du combustible nucléaire au thorium. <https://fr.wikipedia.org/wiki/Cycle_du_combustible_nucl%C3%A9aire_au_thorium>.

Le réacteur au thorium : une nouvelle impasse. <http://www.sortirdunucleaire.org/Le-reacteur-au-thorium-une-nouvelle-impasse>.

Les Cahiers de Global Chance, n°11, avril 1999, Chapitre sur le Cycle du combustible, Existe-t-il de nouvelles options pour le nucléaire du futur ? <http://www.global-chance.org/Le-nucleaire-en-debat-n-avons-nous-pas-le-temps-d-elaborer-des-solutions-acceptables>.

Propos de Mr Daniel Heuer. Le MSFR (molten salt fast reactor) : vers un nucléaire socialement acceptable. Par Daniel Heuer, Directeur de recherche au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble. Atelier n°107 du 07/04/2015 à l’auditorium de la BU Sciences de Grenoble. <https://www.youtube.com/watch?v=FDy9FemEk8Y>.

Propos de Mr Hongjie Xu. <https://fissionliquide.fr/2015/10/18/joyeux-anniversaire-msre/>.

[PDF] (en) C. Le Brun, L. Mathieu, D. Heuer and A. Nuttin, Impact of the MSBR concept technology on long-lived radio-toxicity and proliferation resistance [archive], Technical Meeting on Fissile Material Management Strategies for Sustainable Nuclear Energy, Vienna 2005 (consulté le 20 juin 2010).

Réacteur ASTRID. <http://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/astrid-futur-reacteur-nucleaire-de-4eme-generation-3042>.

Réacteur à sels fondus, schémas. <http://energienucleaire.webnode.fr/news/reacteurs%20de%204%C3%A8me%20generation>

Thorium : le nucléaire vert existe-t-il ? <http://www.terraeco.net/Thorium-le-nucleaire-vert-existe-t,48079.html>.

Thorium, la face gâchée du nucléaire, film documentaire de Myriam Tonelotto, diffusé sur ARTE le mardi 20 septembre à 20h55. <http://future.arte.tv/fr/thorium>.

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