L'impératif croissant pour une énergie propre

La demande énergétique mondiale continue d'accélérer, sous l'impulsion de la croissance démographique, de l'industrialisation et de la transformation numérique. Parallèlement, la pression s'exerce pour décarboniser la production d'électricité et réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles. L'énergie nucléaire offre une source dense, expédiable et à faible teneur en carbone d'électricité de base, mais les réacteurs traditionnels à base d'uranium sont toujours préoccupés par la sûreté, la gestion des déchets et la prolifération.

Le thorium n'est pas un concept nouveau; les chercheurs ont exploré son potentiel dès les années 1950 au Laboratoire national d'Oak Ridge. Pourtant, des décennies de développement centré sur l'uranium ont laissé le thorium en marge. Aujourd'hui, une combinaison de technologies de réacteur en évolution, de priorités accrues en matière de non-prolifération et de besoin urgent d'énergie propre a ravivé l'intérêt.

Pourquoi Thorium? Un avantage fondamental en matière de ressources

Le thorium est un élément radioactif naturel, principalement le thorium-232, qui se trouve en quantités traces dans la croûte terrestre. Il est environ trois à quatre fois plus abondant que l'uranium, avec de grandes réserves dans des pays comme l'Inde, l'Australie, les États-Unis, la Turquie et le Brésil. Contrairement à l'uranium, le thorium est fertile plutôt que fissile[: il ne peut pas supporter une réaction en chaîne seule, mais peut être transformé en uranium 233 fissile à l'intérieur d'un réacteur.

Abondance et distribution

La répartition géographique étendue du thorium réduit les risques géopolitiques associés aux chaînes d'approvisionnement en uranium. Pour les pays qui ne possèdent pas d'uranium indigène mais des réserves de thorium, le combustible offre une voie vers l'indépendance énergétique. L'Inde, par exemple, détient les plus grands gisements connus de thorium et a fait du thorium la pierre angulaire de son programme nucléaire en trois étapes.

Densité et efficacité énergétiques

Lorsqu'elle est pleinement utilisée dans le cycle du thorium, une masse donnée de thorium peut théoriquement produire autant d'énergie que d'uranium, et avec un volume de déchets transuraniques à longue durée de vie plus faible. Cette efficacité découle du rapport élevé de conversion du thorium en uranium-233, qui peut approcher des valeurs proches ou supérieures à 1,0 dans les réacteurs avancés, permettant l'autosuffisance en carburant[ une fois le cycle établi.

Le cycle du combustible thorium: comment il fonctionne

La compréhension du cycle du thorium est essentielle pour en apprécier les avantages.Le processus commence par le thorium-232, qui est bombardé de neutrons, typiquement à partir d'une source de départ comme le plutonium, l'uranium enrichi ou un générateur de neutrons externe. Lorsque le thorium-232 capture un neutron, il devient le thorium-233, qui se désintègre par le protocinium-233, en uranium-233, un isotope fissile avec une excellente économie de neutrons.

Capture et conversion de neutrons

Les réactions clés sont les suivantes:

  1. Thorium-232 + neutron → Thorium-233 (décroissance de la béta, demi-vie de 22 minutes)
  2. Thorium-233 → Protactinium-233 (décroissance de la bêta, demi-vie 27 jours)
  3. Protactinium-233 → Uranium-233 (fissile, demi-vie 27 jours)

L'uranium 233 subit ensuite une fission lorsqu'il est touché par des neutrons, dégageant de l'énergie et plus de neutrons, ce qui peut soutenir la réaction en chaîne et convertir du thorium supplémentaire. Dans un réacteur optimisé, le cycle peut atteindre un rapport de reproduction [ supérieur à 1, ce qui signifie que le réacteur produit plus de matières fissiles qu'il ne consomme.

Spectre rapide thermique versus

Le thorium peut être utilisé dans les réacteurs à spectre thermique (neutrons faibles) et à spectre rapide (neutrons à haute énergie). La plupart des recherches actuelles portent sur les réacteurs à spectre thermique à sel fondu (RSM) et les systèmes à eau lourde refroidis.

Principaux avantages sur les réacteurs classiques à l'uranium

Les réacteurs à base de thorium offrent une série d'avantages qui répondent aux critiques les plus persistantes de l'énergie nucléaire.

Sécurité : Pression basse, refroidissement passif

Dans un réacteur à thorium, le combustible est dissous dans un fluorure fondu ou dans un sel de chlorure qui circule dans le cœur. Le point d'ébullition élevé du sel (au-dessus de 1 400 °C) permet au réacteur d'atteindre des températures très élevées sans bouillir, évitant l'accumulation de pression qui a entraîné des accidents comme Fukushima ou Three Mile Island. De plus, les réacteurs à thorium comportent des caractéristiques de sécurité passive : un bouchon de congélation au bas du cœur fond fond si les températures dépassent un seuil, permettant au sel de combustible de s'écouler dans un réservoir de stockage sous-critique, arrêtant en toute sécurité la réaction.

Profil des déchets : Actinides à longue durée de vie réduite

Les réacteurs à uranium classiques produisent des quantités importantes d'éléments transuraniques de plutonium, d'americium et de curium qui restent dangereux pendant des centaines de milliers d'années. Les réacteurs à thorium génèrent en revanche beaucoup moins de transuraniques. La majorité des produits de fission du thorium ne sont demi-vies que de 30 à 300 ans, ce qui simplifie la gestion à long terme des déchets.

Résistance à la prolifération

Le cycle du thorium est intrinsèquement plus résistant à la prolifération des armes nucléaires. L'uranium-233, produit fissile, est toujours contaminé par l'uranium-232, un émetteur gamma puissant qui rend la matière difficile à manipuler et facile à détecter. Toute tentative de détourner ou d'enrichir l'uranium-233 exposerait les travailleurs à des rayonnements dangereux, ce qui soulèverait de façon significative les obstacles techniques à la production d'armes.

Efficacité énergétique et durabilité

Comme le thorium est plus abondant et peut être élevé en matières fissiles, un réacteur au thorium pourrait extraire environ 200 fois plus d'énergie par unité de masse de minerai extrait qu'un cycle de combustible à l'uranium, ce qui réduit les besoins en extraction, les perturbations environnementales résultant de l'extraction de l'uranium et les coûts connexes.

Conceptions de réacteurs pour Thorium

Plusieurs architectures de réacteurs sont en cours de développement pour exploiter le potentiel du thorium. Les conceptions les plus importantes sont les suivantes:

Réacteurs de sel fondu (RSM)

Dans ces réacteurs, le combustible est dissous dans un mélange de sel circulant qui sert également de liquide de refroidissement primaire. Le combustible liquide permet l'élimination continue du produit de fission, le ravitaillement en ligne et une excellente économie de neutrons. Parmi les projets notables de MSR, on peut citer la conception ThorCon (visant un réacteur expérimental de 250 MWe) et le réacteur chinois TMSR-LF1, qui a atteint la criticité en 2021.

Réacteurs à eau lourde (RLH)

Les réacteurs à eau lourde, comme le modèle CANDU, peuvent être adaptés pour utiliser le thorium mélangé à une petite quantité d'uranium enrichi ou de plutonium comme combustible de conduite. L'Inde a réussi à exploiter un groupe de combustible thorium-uranium de 300 MW dans son réacteur de recherche Dhruva et prévoit utiliser le thorium dans son réacteur à eau lourde (RAH).

Réacteurs à haute température à gaz (GRT)

Les HTGR utilisent du combustible à particules revêtues (particules TRISO) incorporé dans des cailloux de graphite ou des blocs prismatiques. Le thorium peut être incorporé dans les noyaux de combustible. Ces conceptions fonctionnent à des températures de sortie élevées (750–950 °C), permettant des applications thermiques de processus et une efficacité thermique plus élevée.

Réacteurs rapides

Dans un réacteur rapide, le thorium peut être utilisé comme matériau de couverture pour la production d'uranium-233, qui peut alors être utilisé comme combustible de conduite. La combinaison de réacteurs rapides et de thorium offre la possibilité d'une combustion élevée et de déchets réduits, mais la technologie est plus complexe et moins avancée que les concepts MSR ou HWR.

Principaux défis à relever face aux réacteurs au thorium

Malgré des avantages indéniables, le thorium n'est pas une balle d'argent. Plusieurs obstacles techniques, économiques et réglementaires doivent être surmontés avant une commercialisation généralisée.

Les obstacles techniques

  • Matériels et corrosion:[ Les sels de fusion sont très corrosifs à des températures élevées. Le développement d'alliages structurels et de matériaux de contenants résistant à la corrosion pendant des décennies est un défi technique important.
  • Manipulation du protactinium: Le protactinium-233 a une demi-vie de 27 jours. S'il reste trop longtemps dans le réacteur, il peut absorber les neutrons et devenir le protactinium-234 (qui se désintègre à l'uranium-234, un absorbeur de neutrons plutôt qu'un combustible).
  • Fuel de démarrage: Comme le thorium n'est pas fertile, une source de démarrage de matières fissiles (comme l'uranium enrichi, le plutonium ou l'uranium 233 stocké à partir de cycles précédents) est nécessaire.
  • Retraitement des déchets:[ Alors que le thorium produit moins d'actinides à longue durée de vie, le retraitement du combustible usé pour récupérer l'uranium-233 implique la manipulation de matières hautement radioactives et nécessite des installations de séparation chimique avancées qui ne sont pas encore déployées commercialement.

Obstacles économiques et réglementaires

  • Lack of Infrastructure: L'ensemble de la chaîne d'approvisionnement nucléaire – fabrication de combustibles, fabrication de réacteurs, gestion des déchets – est optimisé pour l'uranium.
  • Incertitude de délivrance de permis:[ Les régulateurs nucléaires, comme la Nuclear Regulatory Commission des États-Unis, n'ont pas de cadre établi pour l'octroi de permis aux réacteurs à sel fondu. Le processus d'examen devrait porter sur de nouveaux cas de sûreté, de chimie du combustible et de scénarios d'accident qui diffèrent fondamentalement des réacteurs refroidis par eau, ce qui crée des risques de calendrier et de coût pour les promoteurs.
  • Compétitivité des coûts: Le gaz naturel, l'énergie solaire et l'énergie éolienne sont devenus remarquablement bon marché.Sans avantage de coût évident, les services publics sont réticents à investir dans la technologie des réacteurs non prouvés.

Acceptation politique et publique

Les défenseurs du thorium soutiennent que les caractéristiques de sécurité inhérentes aux MSR (pas de fusion, faible pression, arrêt passif) pourraient contribuer à améliorer l'acceptation. Cependant, l'industrie doit surmonter des décennies de peur en raison d'accidents de grande envergure et de problèmes de déchets non résolus.

Initiatives mondiales en matière de thorium

Plusieurs pays développent activement des programmes de réacteurs au thorium, chacun ayant des motivations stratégiques différentes.

Inde : le programme à trois niveaux

L'Inde a le plan de thorium le plus ambitieux, intégré dans son programme d'énergie nucléaire en trois étapes. L'étape 1 utilise des réacteurs à eau lourde pressurisée (RSPH) pour produire du plutonium à partir d'uranium naturel. L'étape 2 utilise des réacteurs à semi-conducteurs rapides pour convertir ce plutonium en plus de combustible et également pour produire de l'uranium 233 à partir de couvertures de thorium. L'étape 3 déploiera des réacteurs à base de thorium, y compris les réacteurs à eau lourde et les projets de sels potentiellement fondus, pour produire la majeure partie de l'électricité du pays à partir du thorium.

Chine : Programmes de sel fondu et de combustible solide

La Chine a officiellement lancé un programme de recherche sur le thorium en 2011 et a depuis construit un réacteur thermique à sel fondu de 2 MW (TMSR-LF1) à Wuwei, dans la province de Gansu, qui a commencé à fonctionner en 2021. Le pays développe également un réacteur à combustible solide à base de galets de thorium. Avec ses propres réserves de thorium et un engagement ferme en faveur de la neutralité carbone d'ici 2060, la Chine vise à commercialiser un MSR de 100 MWe d'ici 2030.

États-Unis : Entreprises privées et recherche gouvernementale

Aux États-Unis, plusieurs start-up, comme TerraPower (avec son réacteur à chlore fondu), Thorium Energy Alliance et Southern Company (collaborant sur un test de sel fondu) font avancer les concepts de thorium. Le département américain de l'énergie a financé des recherches sur la chimie du sel et les sciences des matériaux dans les laboratoires nationaux.

Autres nations

Norvège Thor Energy a effectué des essais d'irradiation sur des granulés de combustible de thorium dans le réacteur de recherche de Halden. Royaume-Uni Moltex Energy développe un réacteur stable à sel qui utilise le thorium dans une configuration statique de combustible. Le Canada explore le combustible de thorium dans les réacteurs CANDU comme moyen de réduire les stocks de plutonium.

Calendrier de la réalité commerciale

Il est difficile de prévoir le calendrier exact des réacteurs au thorium, mais plusieurs étapes sont à l'ordre du jour. D'ici 2030, la Chine prévoit une démonstration de 10 MW de MSR et l'Inde prévoit de commencer la construction de son AHWR. Dans les années 2030, des unités commerciales de première qualité pourraient apparaître, probablement dans les pays ayant un solide soutien gouvernemental et des installations dédiées au cycle du combustible.

Le long cycle de développement n'est pas inhabituel pour l'innovation nucléaire: les réacteurs à eau légère ont mis des décennies à mûrir. Cependant, l'urgence du changement climatique peut accélérer le soutien. Si la tarification du carbone devient plus répandue ou les préoccupations de sécurité énergétique augmentent, les avantages du thorium pourraient renverser les échelles économiques plus rapidement que ne le laissent penser les projections actuelles.

Conclusion

Les réacteurs à base de thorium offrent une vision vraiment différente de l'énergie nucléaire, qui met l'accent sur la sûreté inhérente, la réduction des déchets, l'amélioration de la résistance à la prolifération et l'approvisionnement en combustible. La technologie n'est pas hypothétique; elle a été validée expérimentalement dans plusieurs conceptions de réacteurs et prend de l'ampleur grâce à des programmes nationaux en Inde, en Chine et ailleurs.

Le potentiel de rentabilité est énorme : une source d'énergie propre qui peut durer des millénaires sur des réserves connues de thorium, produisant de l'électricité avec un minimum de déchets à longue durée de vie et un faible risque d'échec catastrophique. La réalisation de cette vision nécessitera des investissements soutenus, une collaboration internationale et une volonté de dépasser le paradigme de l'uranium qui domine l'industrie nucléaire depuis 70 ans.