Les fondamentaux du thorium comme combustible nucléaire

Abondance naturelle et propriétés isotopiques

Le thorium est un élément radioactif naturel dont le numéro atomique 90 est le thorium-232 dont la durée de vie est d'environ 14,05 milliards d'années, ce qui le rend inépuisable sur les échelles de temps humaines. Le thorium est environ trois à quatre fois plus abondant dans la croûte terrestre que l'uranium, avec des dépôts importants en Inde, en Australie, aux États-Unis, en Turquie et au Brésil. Cette abondance offre un avantage stratégique pour les pays qui cherchent à obtenir l'indépendance énergétique et la sécurité à long terme du combustible.

Le cycle du combustible thorium: du Th-232 au U-233

Le cycle du thorium commence lorsque le thorium-232 absorbe un neutron pour devenir thorium-233, qui subit alors une dégradation bêta pour le protactinium-233 avec une demi-vie d'environ 27 jours. Le protactinium-233 se désintègre ensuite en uranium-233, un isotope fissile capable de maintenir une réaction en chaîne nucléaire. Ce processus de conversion peut se dérouler dans divers types de réacteurs, y compris les réacteurs à réaction de puissance, à condition que le flux de neutrons soit suffisant. L'uranium-233 produit peut être extrait et fabriqué en combustible neuf ou brûlé in situ, selon la configuration du réacteur et la stratégie de gestion du combustible. L'un des principaux avantages de ce cycle est la production relativement faible d'actinides plus élevés, tels que le plutonium, l'americium et le curium, qui sont responsables d'une grande partie de la radiotoxicité à long terme associée aux déchets nucléaires conventionnels.

Principales différences par rapport au cycle Uranium-Plutonium

Les réacteurs classiques à combustible à combustible à uranium-plutonium fonctionnent sur le cycle de combustible à uranium 235, où l'uranium 235 subit une fission et l'uranium fertile 238 est transformé en plutonium 238, ce qui contribue également à la réaction en chaîne. Ce cycle a été largement optimisé au cours de décennies d'exploitation commerciale. Le cycle du thorium-uranium diffère à plusieurs égards importants. Premièrement, l'économie de neutrons est distinctement différente : le cycle du thorium nécessite une source initiale de neutrons, généralement fournie par l'uranium 235 ou le plutonium-239, pour commencer le processus de conversion. Deuxièmement, la section transversale de capture de neutrons thermiques du thorium-232 est environ trois fois plus élevée que celle de l'uranium 238, ce qui fait du thorium un matériau fertile plus efficace dans les spectres des neutrons thermiques.

Pourquoi le thorium dans les réacteurs PWR?

Conception et fonctionnement du réacteur PWR

Dans un réacteur à eau pressurisée, les réacteurs sont la technologie dominante dans le monde, avec plus de 300 unités en exploitation commerciale dans plus de 30 pays. Dans un réacteur à eau comprimée, le noyau contient des assemblages de combustible constitués de granulés de dioxyde d'uranium plaqués en alliage de zirconium. L'eau de refroidissement primaire est maintenue à haute pression, généralement autour de 155 bar, pour empêcher l'ébullition à des températures normales de fonctionnement. La chaleur est transférée par des générateurs de vapeur à une boucle secondaire qui entraîne des turbines pour la production d'électricité. Les réacteurs à eau comprimée fonctionnent avec un spectre de neutrons thermiques, ce qui signifie que les neutrons qui soutiennent la réaction en chaîne sont modérés aux énergies thermiques par des collisions avec le liquide de refroidissement.

Défis de compatibilité et d'intégration

L'adaptation des modèles de RAP existants aux combustibles à base de thorium n'est pas un remplacement direct par des gouttes d'eau. Les propriétés thermiques et mécaniques du dioxyde de thorium diffèrent de celles du dioxyde d'uranium, ce qui affecte le comportement des boulettes de combustible, la conductivité thermique et le rejet de gaz de fission. Le dioxyde de thorium a un point de fusion plus élevé d'environ 3350°C que celui du dioxyde d'uranium, avec une meilleure stabilité chimique et une meilleure résistance à l'oxydation. Ces propriétés sont avantageuses du point de vue de la sécurité.

Considérations sur le spectre des neutrons thermiques

Le spectre des neutrons thermiques des réacteurs à neutrons est bien adapté au cycle du thorium à plusieurs égards. La section transversale haute de capture de neutrons thermiques du thorium-232 permet une conversion efficace en uranium-233, et le faible rapport de capture en uranium-233 dans les spectres thermiques contribue à une économie de neutrons favorable. Cependant, la présence de protactinium-233 dans le cycle du combustible entraîne des complications. Le protactinium-233 a une section transversale importante de capture de neutrons, et s'il absorbe un neutron avant de se décomposer en uranium-233, il forme du protactinium-234 et, en fin de compte, de l'uranium-234, qui n'est pas fissiles.

Avantages du combustible à base de thorium dans les câbles en cuivre

Durabilité des ressources et sécurité énergétique

Contrairement à l'uranium, qui est géographiquement concentré dans une poignée de pays et soumis à la volatilité des prix et aux pressions géopolitiques, les gisements de thorium sont largement répartis dans le monde entier et largement inexploités. Pour des pays comme l'Inde, qui possède l'une des plus grandes réserves de thorium mais les ressources limitées en uranium au monde, le développement de cycles de combustible à base de thorium est une priorité nationale. La capacité d'extraire une quantité d'énergie significativement plus importante par unité de masse de matières minées par rapport au combustible classique d'uranium contribue également à la durabilité des ressources.

Réduction de la résistance aux déchets de longue durée et à la prolifération

L'un des arguments les plus convaincants en faveur du combustible à base de thorium est la nature des déchets qu'il produit. Le combustible à base de thorium contient des quantités substantiellement inférieures de plutonium et d'autres éléments transuraniques, responsables de la majorité de la radiotoxicité à long terme dans les déchets nucléaires classiques. Les demi-vies des déchets du cycle du thorium sont généralement plus courtes, réduisant la période d'isolement requise pour les dépôts géologiques de centaines de milliers d'années à quelques centaines d'années. Cette caractéristique a des implications importantes pour la gestion des déchets et l'acceptation par le public.

Caractéristiques de sécurité améliorées

Le dioxyde de thorium présente une stabilité chimique supérieure à celle du dioxyde d'uranium, avec une plus grande résistance à l'oxydation et à la corrosion, ce qui est particulièrement important dans les conditions d'accident où le revêtement du combustible peut être compromis et où le combustible entre en contact avec l'eau ou la vapeur à haute température. Le point de fusion plus élevé du dioxyde de thorium offre une marge de sécurité supplémentaire pendant les événements transitoires et les scénarios de perte de refroidissement, ce qui réduit le risque de fusion du combustible et de rejet de produits de fission. De plus, les taux de rejets de gaz de fission plus faibles observés dans les combustibles à base de thorium contribuent à améliorer l'intégrité du combustible et à réduire la pression interne dans les barres de combustible pendant la période d'irradiation.

Potentiel de combustion plus élevé

Le combustible à base de thorium peut potentiellement atteindre des niveaux de combustion plus élevés que le combustible classique à base d'uranium, ce qui signifie qu'une plus grande fraction des atomes de métaux lourds subissent une fission avant que le combustible ne soit retiré du réacteur. Le brûlage plus important se traduit directement par une consommation réduite de combustible, une réduction du nombre d'assemblages de combustibles usés pour gérer et une réduction du volume global de déchets. Les propriétés neutroniques de l'uranium-233 contribuent de façon significative à cet effet, puisqu'il libère plus de neutrons par fission que l'uranium-233 ou le plutonium-239, améliorant l'économie de neutrons et permettant une utilisation plus complète du combustible.

Défis techniques et économiques

Fabrication et retraitement de combustibles

La fabrication de combustibles à base de thorium présente d'importants défis techniques qui doivent être abordés pour le déploiement commercial. Le dioxyde de thorium est réfractaire et difficile à traiter à l'aide de techniques classiques de métallurgie par poudre. Le point de fusion élevé et l'inerte chimique du dioxyde de thorium nécessitent des conditions de frittage spécialisées et l'utilisation d'aides au frittage pour atteindre la densité requise et la microstructure. De plus, la présence d'uranium-233 dans le combustible recyclé pose des problèmes de radioprotection en raison des émissions gamma intenses de produits de décomposition de l'uranium-232. Ces défis de manipulation augmentent la complexité et le coût des installations de fabrication du combustible et exigent des capacités de manutention à distance robustes.

Exigences relatives à la modification du réacteur

La conversion d'un réacteur à combustible à base de thorium exige une analyse technique minutieuse et des modifications potentiellement importantes au cœur du réacteur, aux systèmes de commande et aux instruments. Les différences de distribution du flux de neutrons, de coefficients de réactivité et de prescriptions de contrôle ne sont pas négligeables et doivent être caractérisées de façon approfondie. Les coefficients de rétroaction de réactivité, qui sont essentiels pour la stabilité et la sécurité du réacteur, sont différents pour le combustible de thorium par rapport au combustible d'uranium. Le coefficient de réactivité de la température et le coefficient de température du modérateur doivent être vérifiés pour rester négatifs dans toutes les conditions d'exploitation afin d'assurer la sécurité inhérente. La valeur de la tige de commande et la marge d'arrêt doivent être réévaluées en fonction de la nouvelle composition du combustible, et l'instrumentation en cœur peut nécessiter un recalage pour mesurer avec précision la distribution de puissance dans un noyau à charge de thorium.

Les obstacles à la réglementation et à la délivrance de licences

L'industrie nucléaire fait partie des secteurs industriels les plus réglementés et tout changement à la composition du combustible ou à l'exploitation du réacteur nécessite une analyse rigoureuse de la sûreté et l'approbation des licences par les organismes nationaux de réglementation. Les cadres réglementaires actuels s'articulent autour du cycle du combustible à l'uranium bien caractérisé, avec des normes, des lignes directrices et des critères d'acceptation établis pour la performance du combustible, les marges de sécurité et l'analyse des accidents. L'introduction du combustible à base de thorium nécessiterait l'élaboration de nouveaux critères réglementaires et de critères de sécurité propres aux caractéristiques du combustible au thorium.

Viabilité économique et coûts d'investissement

Le coût du minerai de thorium lui-même est relativement faible, mais le coût global du cycle du combustible, y compris la fabrication, le retraitement et la gestion des déchets, est actuellement plus élevé que celui du combustible classique à base d'uranium. Les coûts d'investissement associés à la mise en place de nouvelles installations de fabrication de combustible, à la modification des réacteurs existants et à la construction d'usines de retraitement sont importants et représentent un risque financier important pour les premiers adoptants. De plus, l'absence d'une chaîne d'approvisionnement commerciale pour le combustible de thorium crée des désavantages de premier-mover, car l'infrastructure initiale doit être construite sans bénéficier d'économies d'échelle.

Recherche et développement dans le monde

Programme avancé de réacteur à eau lourde de l'Inde

L'Inde est à l'avant-garde de la recherche sur le combustible thorium depuis des décennies, grâce à ses abondantes ressources en thorium et à ses réserves limitées en uranium. Le programme nucléaire indien suit un plan en trois étapes bien défini qui commence avec les réacteurs à uranium naturel, progresse vers les réacteurs à sélection rapide à base de plutonium et vise finalement à déployer des réacteurs à eau lourde évolués à base de thorium. La conception de l'AHWR est un réacteur à eau lourde de type tube de pression qui peut atteindre un rapport de conversion proche de l'unité, produisant efficacement autant d'uranium-233 qu'il consomme. L'Inde a également exploité le réacteur de recherche Kamini, qui utilise du combustible uranium-233 dérivé du thorium, démontrant la faisabilité pratique du cycle du combustible thorium.

Projets chinois de réacteur au sel de moulage de thorium

La Chine a lancé un programme ambitieux et bien financé pour développer des réacteurs à sel fondu (RSM) qui peuvent fonctionner efficacement sur le cycle du thorium. La conception de combustible liquide des RSM offre plusieurs avantages inhérents à l'utilisation du thorium, y compris la capacité de traiter en continu le combustible et d'enlever le protactinium-233 avant qu'il ne se désintègre ou ne capture les neutrons, améliorant ainsi l'équilibre neutronique. L'Institut de physique appliquée de Shanghai a dirigé le développement d'un réacteur à sel fondu à base de thorium, dont un réacteur à l'échelle pilote devrait devenir opérationnel dans les années à venir.

Activités internationales de collaboration

Plusieurs initiatives internationales font activement progresser la recherche et le développement sur le thorium. L'Agence internationale de l'énergie atomique (AIEA) a coordonné plusieurs projets de recherche coordonnés sur les cycles du thorium, publié des rapports techniques complets et facilité l'échange d'informations entre les États membres. Le Forum international Génération IV comprend la technologie des réacteurs à sel fondu comme l'un des concepts choisis de la prochaine génération de réacteurs, le combustible thorium jouant un rôle important dans plusieurs projets proposés.

Le rôle du thorium dans un avenir énergétique durable

L'énergie nucléaire, malgré les défis liés au coût, aux déchets et à la perception du public, offre une production fiable d'électricité à charge de base avec une faible empreinte terrestre et des facteurs de capacité élevés. Le combustible à base de thorium, qu'il soit déployé dans des réacteurs à puissance de production de puissance ou de pointe, pourrait répondre à certaines des préoccupations de longue date liées à l'énergie nucléaire, en particulier en ce qui concerne la gestion des déchets, la disponibilité du combustible et le risque de prolifération. La réduction du fardeau des déchets et la résistance accrue à la prolifération du cycle du thorium pourraient améliorer l'acceptation du public et faciliter l'expansion de la capacité nucléaire dans les régions où ces préoccupations ont constitué des obstacles au déploiement. Toutefois, le thorium n'est pas une panacée pour tous les défis de l'énergie nucléaire.

Conclusion

Le combustible à base de thorium offre un ensemble d'avantages convaincants pour les réacteurs à base de thorium, notamment une abondance naturelle accrue, une réduction des déchets à longue durée de vie, des caractéristiques de sûreté accrues et une résistance à la prolifération inhérente. La faisabilité technique de l'intégration du thorium dans les conceptions existantes de ces réacteurs a été démontrée au niveau de la recherche, et les programmes de développement en cours en Inde, en Chine et ailleurs font progresser la technologie vers un déploiement pratique. Des défis importants subsistent, en particulier dans la fabrication de combustible, la transformation des infrastructures de retraitement, la modification des réacteurs, l'approbation réglementaire et la compétitivité économique.