Le thorium peut-il alimenter la prochaine génération de réacteurs nucléaires ?

Certains scientifiques pensent que l’élément thorium est la réponse à nos problèmes d’énergie nucléaire. Mais pourquoi ? Et qu’est-ce que c’est exactement ?

Pourquoi est-ce important ?

L'énergie nucléaire fait l'objet d'une attention croissante dans le cadre de la transition énergétique. L'énergie solaire et l'énergie éolienne peuvent contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre, mais l'énergie nucléaire à faible teneur en carbone devrait continuer à faire partie du bouquet énergétique mondial. Toutefois, l'énergie nucléaire s'accompagne de certains risques : radiations liées aux déchets nucléaires et, en cas de fusion du cœur d'un réacteur, catastrophe environnementale d'une ampleur sans précédent.

Bien que l’énergie nucléaire ne produise pas de gaz à effet de serre, problématiques avec d’autres sources d’électricité, elle comporte certains risques. Pour commencer, l’élimination des déchets radioactifs des centrales nucléaires est une entreprise périlleuse – que faire de ces sous-produits dangereux ? Et que se passe-t-il si le noyau fond et provoque une catastrophe écologique, comme ce fut le cas à Tchernobyl en 1986 ? Il existe d’autres problèmes, mais compte tenu de notre situation énergétique actuelle, il y a de nombreuses raisons de continuer à travailler pour rendre l’énergie nucléaire plus sûre.

Les réacteurs nucléaires fonctionnent sur la base de la fission nucléaire, une réaction en chaîne dans laquelle les atomes sont divisés pour produire de l’énergie (ou dans le cas des bombes nucléaires : une énorme explosion).

« Environ 450 réacteurs nucléaires sont en service dans le monde, et ils ont tous besoin de combustible », a déclaré Steve Krahn, professeur à l’université Vanderbilt et expert en ingénierie nucléaire, au site web éducatif How Stuff Works. Il note que ces réacteurs fonctionnent principalement à l’uranium-235 (U-235). Les pays qui recyclent partiellement le combustible – la France, la Russie et quelques autres nations – y ajoutent du plutonium-239 recyclé pour fabriquer ce que l’on appelle du combustible à oxyde mixte.

Le plutonium est un sous-produit du combustible usé des réacteurs nucléaires, et il peut constituer la base du recyclage du combustible des réacteurs nucléaires actuels (comme cela se fait en France et en Russie). Cependant, il est hautement toxique, et c’est le matériau le plus couramment utilisé pour les armes nucléaires, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles les scientifiques ont continué à explorer d’autres options.

Qu’est-ce que le thorium ?

L’une de ces options est le thorium (Th). Il a été découvert par Jons Jakob Berzelius en 1828, qui l’a nommé en l’honneur de Thor, le dieu nordique du tonnerre.

Le thorium est un métal légèrement radioactif et globalement abondant – à peu près aussi abondant que l’étain ; il est même plus abondant que l’uranium. Il est également largement répandu, avec des concentrations importantes en Inde, en Turquie, au Brésil, aux États-Unis et en Égypte.

Il est important de noter que le thorium n’est pas un combustible comme l’uranium. La différence réside dans le fait que l’uranium est « fissile », ce qui signifie qu’il provoque une réaction en chaîne soutenue si l’on peut obtenir suffisamment d’uranium à un endroit et à un moment donnés.

Le thorium, en revanche, n’est pas fissile – il est ce que les scientifiques appellent « fertile ». Cela signifie que si vous bombardez le thorium avec des neutrons (en lui donnant essentiellement un coup de pouce dans un réacteur fonctionnant avec un matériau comme l’uranium), il peut être transformé en un isotope de l’uranium appelé uranium-233, qui est fissile et convient à la production d’énergie.

Avantages et inconvénients du thorium

Le thorium a été utilisé dans plusieurs des premières expériences de physique nucléaire – Marie Curie et Ernest Rutherford ont travaillé avec. L’uranium et le plutonium ont été davantage associés aux processus nucléaires pendant la Seconde Guerre mondiale, car ils offraient le moyen le plus évident de fabriquer des bombes.

Pour la production d’électricité, le thorium présente de réels avantages.

  • L’uranium-233 formé à partir du thorium est un combustible plus efficace que l’uranium-235 ou le plutonium, et les réacteurs risquent moins d’entrer en fusion car il peut supporter des températures bien plus élevées.
  • Une quantité moindre de plutonium est également produite pendant le fonctionnement du réacteur, et certains scientifiques affirment que les réacteurs au thorium pourraient détruire les tonnes de plutonium dangereux qui ont été créées et stockées depuis les années 1950.
  • En outre, certains scientifiques estiment qu’un parc de réacteurs fonctionnant au thorium et à l’uranium-233 constitue un obstacle à la prolifération des armes nucléaires, car une technologie plus avancée est nécessaire pour séparer l’uranium-233 de ses déchets et l’utiliser pour fabriquer des bombes.

Cependant, le thorium présente également des inconvénients.

  • Le thorium et l’uranium-233 sont plus dangereux (plus radioactifs) à modifier chimiquement. Pour cette raison, ils sont plus difficiles à traiter. Il est plus difficile de fabriquer des barres de combustible en uranium-233.
  • L’industrie nucléaire a moins d’expérience avec ce matériau qu’avec l’uranium.
  • De plus, comme indiqué précédemment, le thorium n’est pas un combustible.

« Si nous voulons alimenter notre planète avec un cycle de combustible utilisant le thorium et l’uranium-233, il faut produire suffisamment d’uranium-233 dans d’autres types de réacteurs pour alimenter les premiers réacteurs à l’uranium-233 », explique M. Krahn.

« En cas de succès, les méthodes de traitement chimique du thorium-232 et de l’uranium-233 et leur transformation en combustible nucléaire seront assez bien établies ; toutefois, il faudra construire les usines nécessaires à la mise en œuvre de ces processus », indique le rapport.

Utiliser le thorium pour l’énergie

Il existe plusieurs façons d’utiliser le thorium pour produire de l’énergie. L’une des voies actuellement étudiées est l’utilisation d’un combustible solide à base de thorium/uranium 232 dans un réacteur classique refroidi à l’eau, similaire aux centrales modernes à l’uranium. Plus de 20 réacteurs dans le monde fonctionnent déjà avec du combustible composé de thorium et d’uranium-233.

Une autre perspective qui enthousiasme les scientifiques et les partisans de l’énergie nucléaire est le réacteur à sels fondus (voir image ci-dessous). Dans ces centrales, le combustible nucléaire est dissous dans du sel liquide, qui sert également de liquide de refroidissement pour le réacteur. Le sel a un point d’ébullition élevé, ce qui permet aux centrales de produire de l’électricité plus efficacement et d’éviter que des pics de température importants n’entraînent des accidents de réacteur massifs comme celui de Fukushima.


Cela peut ressembler à de la science-fiction, mais un tel réacteur a été exploité aux États-Unis dans les années 1960 et de nouveaux sont actuellement en cours de construction dans le désert de Gobi en Chine et dans l’État américain du Wyoming (avec Bill Gates comme financier).

Critiques

Selon certains critiques, la faisabilité des réacteurs à sels fondus reste toutefois douteuse, car elle crée de nouveaux problèmes techniques.

« À très haute température, le sel peut endommager les structures du réacteur, qui doivent être protégées d’une manière ou d’une autre », a déclaré Jean-Claude Garnier, chef du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) dans l’Asia Times.

Il sera donc intéressant de suivre l’évolution de la situation dans le désert de Gobi et dans le Wyoming.

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