Le thorium, miracle énergétique ?

Publié Par Michel Gay, le dans Énergie et matières premières

Par Michel Gay.

Thorium

Thorium By: Science ActivismCC 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. Emission 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
  1. le frein au nucléaire est la peur et le thorium n’est pas plus rassurant que l’uranium , aucune raison de changer pour un truc n’ayant pas vraiment d’avantages surtout que l’on devra en subir les couts de développement…va pour le surgénérateur en attendant la panacée qui sera la fusion ou autre chose pas encore sortie des cartons de nos chercheurs.

    1. C’est juste que dans le concept, le réacteur fonctionne à pression atmosphérique, et donc qu’il n’y a pas de risques d’explosions comme Tchernobyl ou Fukuchima avec des nuages radioactifs qui empoisonnent des « innocents » à des centaines voir des milliers de kilomètres; c’est ce qui rassérène les antinucl actuels : ils espèrent que quand un réacteur au Th va péter loin de chez eux ( car ils ne voudront pas d’un réacteur près de chez eux, même au Th), alors ils seront tranquilles et pourront continuer à manger les salades de leur jardin.

      Après, je ne suis pas sûr que le « concept » soit aussi simple et que les militants écolos aient bien compris les enjeux. D’autant plus qu’ils ont anéanti la filière « surgénération » en France, et que d’autres nations sont désormais bien plus en avance.

      Très bon article qui laisse entrevoir que le Th n’est pas la panacée (contrairement à certaines chaîne de télé genre Arte qui continue à instiller la propagande germanique du méchant nucl remplaçable par les gentilles énergies renouvelables … )

      1. de toute façon la question ne se pose pas actuellement , nos réacteurs ont encore des années devant eux , on dispose de suffisamment d’énergie , il n’y a aucune raison de se précipiter vers …l’inconnu et surtout , nous n’avons pas la place pour y loger de nouveaux réacteurs , on a déjà du mal a construire un vulgaire aéroport alors un truc non maitrisé actuellement a l’échelle industrielle , pas un politique ne mettra les pieds dedans !

      2. Mais ça en fait, c’est surtout l’avantage des réacteurs à sels fondus, qu’on peut en fait faire fonctionner un peu plus facilement avec l’uranium qu’avec le thorium.
        Par ailleurs, la filière surgénération fonctionnait aussi à pression atmosphérique, et sans fluide conducteur eau qui en cas d’accident quand il chauffe augmente la pression et sous la forme de vapeurs transport césium et iode au loin. Le fait en cas d’accident, il est beaucoup moins probable que les radioactivité se diffuse au loin ne l’a absolument pas empêché d’être démonisée.

  2. Dans l’introduction écrire « théoriquement  » et non une filière « techniquement » possible, l’article le montre bien.

  3. L’avantage en terme de risques est plutôt dans la phase exploitation ; pas de risque d’emballement.
    Ce sera aussi l’avènement des micro-centrales beaucoup plus flexibles et situées plus près des consommateurs.
    Finalement, on pourra reprendre le slogan des écolos « pas plus de 200km ».

    1. Emballement dans quel sens précisément ? Il y a pas mal de travaux aujourd’hui sur la filière des SMR (small modular reactor) avec tout à fait ce type d’avantage, mais en profitant de l’expérience sur les techniques actuelles de type Uranium/PWR. Lorsqu’un réacteur est suffisamment petit, on sait même pour un PWR faire en sorte qu’il soit « walk away safe ». On intègre une réserve d’eau suffisamment importante pour passer la phase initiale critique des premiers jours, et ensuite la conduction naturelle de la chaleur suffit à évacuer ce qu’il en reste sans fusion et rupture.

  4. Le combustible thorium est une option intéressante pour le futur lointain (au-delà de 2100 ?) .
    En 2100 la planète aura disparu, cuite, archi-cuite (c’est vrai, je l’ai lu dans les médias et j’écoute nos politiciens).

  5. Qu’en est t’il de la demi vie de la réaction du thorium???
    J’ai l’impression que l’article passe à côte du vrai problème de l’acceptation du nucléaire

  6. Michel Gay est un remarquable « professeur » en vulgarisation. En peu de mots, il a su dans cet article, comme dans d’autres, montrer ce qu’était le cycle thorium, ses avantages et ses inconvénients. Les USA ont fait fonctionné, il y a 50 ans un réacteur au Thorium à Oakridge, la solution existe donc.
    Si elle n’est pas encore utilisée, c’est simplement parce que la valorisation de l’uranium 238 appauvri après l’enrichissement en U 235 représente des quantités considérables stockées. Et que nous avons une expérience des réacteurs surgénérateurs avec Phénix et Superphénix. La valorisation de cet élément fertile dans des surgénérateurs représenterait un stock phénoménal de combustibles.
    D’où le groupe des pays associés dans le programme « Génération IV » où la France propose le réacteur Astrid conçu par le CEA. La décision de construction de ce réacteur est relativement proche compte tenu de l’expérience acquise.
    Mais le réacteur à sels fondus au thorium « dit MSFR » fait aussi partie des prototypes à tester dans le cadre du programme « Génération IV ». Les indiens qui vivent sur un matelas de thorium étudient ce réacteur tout comme les Chinois qui disposent aussi de grandes quantités de thorium. Donc il est probable que ce type de réacteur fera partie de ceux qui seront proposés à partir de 2050.
    A noter que la demi-vie du thorium est de 14 milliards d’année c’est à dire l’âge de l’univers. Depuis le big bang seulement la moitié du thorium s’est désintégré.
    Merci à Michel Gay pour cet article

  7. Il y a TOUJOURS une vision étatiste ( … ) dans les articles de M. Gay, ainsi que dans les commentaires de ses contradicteurs. Donc l’idée que la Monde doit être sauvé et dirigé par une poignée de savants, de politiciens ou de citoyens conscientisés …

    Mais jusqu’à nouvel ordre, ni les Soviets, ni les US, ni l’ONU n’ont réussi à mettre le monde sous coupe réglée. Il n’y a donc pas de « choix » à faire et à justifier. Si une technologie est possible ou disponible, alors elle sera développée quelque-part. Et si le concept de base est meilleur et qu’il n’apparait pas de difficulté majeure qui remet en cause le concept, alors elle supplantera à terme les autres technologies – et ruinera ceux qui s’y sont accrochés …

    On ne sait pas si cela sauvera le Monde ou le mènera à sa perte. Mais le « Monde » est plus solide qu’on veut bien le prétendre. Il change simplement et il faut être étatiste ou écolo pour considérer que tout changement qui n’a pas été voulu par eux-même signifie la fin du Monde.

  8. Certains détails de l’article manquent d’objectivité.

    La filière uranium 233 est dangereuse pour la fabrication d’armes nucléaires, c’est dire ! 🙂
    https://en.wikipedia.org/wiki/Uranium-233#Weapon_material
    C’est la raison pour laquelle le thorium n’a pas passé le stade de l’expérimental.
    il n’était pas intéressant à la fabrication de bombes même si quelques essais ont été réalisés.

    Le réacteur nucléaire au Thorium 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 du sel fondu (600 à 900 °C) qui joue à la fois le rôle de modérateur, de caloporteur et de barrière de confinement, le tout à pression atmosphérique.
    inspiré de https://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_nucl%C3%A9aire_%C3%A0_sels_fondus
    Comparé à l’usine à gaz des centrales Uranium + eau pressurisée que nous avons en service dans le monde, il n’y a pas photo en faveur du Thorium + sels fondus au niveau coût d’utilisation, gestion des déchets et sécurité.

    A voir ou à revoir :
    https://youtu.be/uTyTpEVGpnA?t=73

    1. L’objectivité c’est de considérer à égale part les difficultés qui apparaissent quand on veut faire une bombe à partir des déchets nucléaires d’un réacteur au thorium ou bien à l’uranium. A entendre certains partisans du thorium, c’est impossible. Ben comme on l’a écrit plus haut, comme vous le confirmez ici, c’est en fait techniquement possible. Oui, mais on a un problème avec le rayonnement gamma de l’uranium 232. Relisez ce qu’il faut faire pour utiliser des déchets nucléaires d’uranium, ils sont pendant des années fortement émetteur gamma. D’un coté comme de l’autre, il va falloir soit avoir les ressources techniques très sophistiquées pour gérer ces matériaux irradiants, soit sacrifier les opérateurs qui prendront de la dose, mais pas forcément assez pour leur être fatal à court terme. Si on a l’uranium 232 pour le thorium, on a pour l’uranium du plutonium 240, et une série d’autre isotopes embêtants qui empêchent d’en faire raisonnablement une bombe efficace, plutôt un fizzle de faible puissance, exactement comme avec le thorium.

      Et l’objectivité concernant les réacteurs au thorium, c’est de ne pas être aveugle au fait que si l’uranium 232 rend plus compliqué de faire des bombes, il rend aussi beaucoup plus compliqué de gérer les déchets. Ils vont être « chauds », très chauds pendant un bon moment, avec des rayonnements gamma très pénétrants, qui remettent en cause les moyens de protections actuels, et obligent à avoir des structures plus lourdes. Enfin, l’usine à gaz actuelle est remplacée par une autre usine à gaz qui consistent à retraiter les déchets en temps réels, en les retirant au fur et à mesure des sels fondus. C’est techniquement complexe, et si c’est complexe, c’est fortement susceptible de ne pas fonctionner aussi bien que prévu. Le réacteur intègre en fait sa propre usine de retraitement de déchets nucléaires, l’expérience de celles-ci est qu’elle ne sont jamais simples à mettre au point.

      Le match en fait ne désigne pas de vainqueur clair, sauf à croire absolument sur paroles tous les arguments malhonnêtes concernant la filière uranium, et imaginer que le jour où les réacteurs thorium seront un peu plus présents, il n’y aura pas exactement la même quantité d’arguments malhonnêtes contre eux. C’est être très naïf.

  9. Le vrai intérêt n’est pas le thorium mais le réacteur qui est souvent associé à cet élément – le réacteur à sels fondus. C’est ce que montre le documentaire Arte « Thorium, la face gâchée du nucléaire ».
    http://www.arte.tv/guide/fr/050775-000-A/thorium-la-face-gachee-du-nucleaire?country=FR
    Le thorium est la cerise sur le gâteau. Et le gâteau, c’est les combustibles liquides.
    https://fissionliquide.fr/2015/01/24/la-cerise-sur-le-gateau/
    Les réacteurs à sels fondus, qu’ils utilisent de l’uranium ou du thorium comme combustible, sont la voie vers une énergie nucléaire intrinsèquement sûre, et moins chère que le charbon.
    C’est pourquoi le nom de mon blog a dû être changé Energie du Thorium –> Fission Liquide
    https://fissionliquide.fr/2016/08/25/pourquoi-le-nom-de-ce-blog-a-change/

  10. C’est marrant cet engouement pour le thorium.
    Mais je doute fort que les gens qui assurent la maintenance partagent l’avis de quelques neo-pacifistes béas qui pensent avoir trouvé le saint Graal…

  11. C’est assez rare dans Contrepoints, mais cet article est partiellement faux, hélas, et il est manifeste que l’auteur ne domine pas son sujet.
    1) Le fonctionnement d’un réacteur au Thorium est radicalement différent de celui d’un réacteur à l’uranium, dans le sens où la fission de l’uranium 235 doit être contrôlée, sinon elle s’emballe (voir les 3 accidents connus), tandis qu’un réacteur au thorium doit être continuellement alimenté en neutrons, et si la source de neutron est stoppée nette, le réacteur en fait tout autant, dans la seconde qui suit. On parle donc d’un niveau de sécurité sans commune mesure par rapport à l’uranium.
    2) Il est faux d’affirmer que l’uranium 235 est indispensable au fonctionnement d’un réacteur au thorium. Ce qui est nécessaire est une source de neutrons. Ceux-ci peuvent très bien être fournis par un accélérateur de particules, sans un gramme d’uranium. SI cet accélérateur ets stoppé, le réacteur est stoppé net.
    3) Il est faux d’affirmer que les produits de fission sont identiques : ils sont différents, et à durée de demi-vie beaucoup plus courtes que ceux produits par la fission de l’uranium 235. C’est ce qui fait dire à ses promoteurs que le thorium est plus propre (tout est relatif, tout de même).

    Un peu de documentation ne ferait pas de tord, et j’encourage l’auteur à se plonger un peu plus dans des revues scientifiques d’un certain niveau, et non Science et Vie…

    1. @Coppe.
      Science et Vie est – au contraire – très friand des solutions avant-gardistes. L’optimisation industrielle n’est pas leur fond de commerce. Ils s’ennuieraient à décrire des solutions existantes avec une transition lente vers les alternatives sur des critères de rentabilité et de disponibilité. Ce n’est pas ce que veut leur clientèle.

      Ainsi, S&V emploie fréquemment le présent au lieu du futur, pour décrire des résultats d’expérimentation qui vont souvent mettre des années de mise au point, avant leur passage au stade industriel. Cette confusion de temps trompe souvent le lecteur qui en redemande.

      Un peu comme vous, lorsque vous affirmez qu’il est faux que l’U235 SOIT indispensable. A ce jour pourtant, il n’existe pas d’accélérateur de particule couplé à une central au thorium. Ce sont des expériences ; le futur aurait été de rigueur…

      Je suis sûr que vous êtes un lecteur de S&V dans les salles d’attente…

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