Nucléaire/Filière thorium : quelques avantages et inconvénients – le cas français par Olivia

Nous nous permettons de reproduire ici l’excellent commentaire laissé par la bien aimée Olivia à propos de l’article

Energie / Une alternative au nucléaire: la filière du thorium

Le thorium est un métal dont certaines propriétés physiques et chimiques le rapprochent du titane, du cérium ou du plutonium. Il est réputé avoir la même toxicité chimique que l’uranium, mais une radiotoxicité supérieure à cause de ses descendants, émetteurs alpha et béta. 

Le thorium 232 est en particulier un émetteur alpha très radiotoxique. Pour cet isotope, la limite annuelle d’incorporation (LAI) par inhalation est de 90 Bq/an (Becquerel/an)), en comparaison de celle du plutonium 239 qui est de 300 Bq/an. C’est-à-dire que le thorium 232 est considéré presque 3,3 fois plus radiotoxique que le plutonium. 

Le thorium est également dangereux en raison de sa chaîne de décroissance. Les descendants du thorium 228, qui ont des périodes courtes s’accumulent rapidement. Ils comprennent le radon 220 (thoron), un gaz qui relâche des particules alpha ; puis le bismuth 212 et le thallium 208, qui émettent des rayons gamma de haute énergie. Quarante ans après la séparation du thorium de son minerai porteur, le thorium 232 et ses descendants sont cinq fois plus actifs que le thorium 232 et 228 au moment de leur séparation. 

Les « périodes » des désintégrations alpha sont souvent longues. Ainsi, des émetteurs alpha comme le thorium-232 et l’uranium-238 mettent des milliards d’années à se désintégrer.

PLUS/MOINS DE THORIUM EN SUIVANT :

Applications au plan énergétique :

 Le thorium 232 comme l’uranium 228 est fertile. Bombardé par les neutrons, il se transforme en uranium 233, matière fissile. Il appartient à la série des actinides et est présent, en particulier, dans

les chaînes de décroissance radioactive de l’uranium naturel. Il présente 13 radioisotopes (de masses atomiques allant de 212 à 236) dont le principal est le 232Th, radioélément primordial, émetteur de rayonnements alpha. Il donne naissance à de nombreux produits de filiation dont 228Ac, émetteur de rayonnements g et b. Sa période radioactive = 1,4 x 10 puissance 10 ans. 

Des variations du taux d’une réaction nucléaire sont possibles en fonction de la pression à laquelle est soumis un échantillon d’atomes. Il s’agit d’un phénomène basé sur la capture d’électrons K. Pour rappel, la capture K avait été prédite par Hideki Yukawa, le grand théoricien japonais à l’origine de la théorie mésonique des forces nucléaires. Yukawa était très au fait des questions de physique nucléaire et en particulier de la théorie de la radioactivité bêta proposée par Enrico Fermi. Ordinairement, celle-ci prévoit qu’un neutron peut se désintégrer en émettant un électron et un antineutrino mais, d’après Yukawa, l’inverse était possible. Du fait des lois de la mécanique quantique et même si l’on peut parler d’orbitale atomique pour un électron autour d’un atome, il existe une distribution de probabilité de présence ne s’annulant pas dans le noyau pour des électrons situés sur la couche proche de ce dernier : la couche K dans le modèle de l’atome de Bohr. Un électron sur cette couche, la première orbite de l’atome de Bohr, peut se combiner parfois avec un proton du noyau pour donner un neutron et s’accompagner de l’émission d’un neutrino. 

Sur ce principe, le physicien italien Fabio Cardone (CNR Italie) et ses collègues ont fait assez récemment une série d’expériences avec du thorium 228 en solution. Selon les résultats des chercheurs italiens, cet atome radioactif sous l’effet d’un processus de cavitation acoustique créé par des ultrasons a vu son taux de désintégration multiplié par… 10.000 !

 Filière Thorium – avantages et inconvénients (étude d’une centaine de pages en anglais de l’Agence Internationale de l’Energie) 

http://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/TE_1450_web.pdf 

Point de vue du Cea

 Le thorium (Th 232) est un matériau fertile, abondant dans la nature. Par absorption d’un neutron, puis décroissance radioactive, il produit du Pa 233 puis du U 233, isotope fissile. Ce dernier est lui-même intéressant, car sa fission produit un peu plus de neutrons que celle de U 235 ou de Pu 239 dans un spectre thermique. Ces différentes raisons ont conduit, dans les années cinquante, à s’intéresser de près à la filière U 233- thorium ; des combustibles ont été fabriqués et utilisés dans différents réacteurs, dont le REP expérimental américain de Shippingport (Pennsylvanie), le HTR de Fort St. Vrain (Colorado) et le THTR allemand. 

Malheureusement, l’émission de rayonnement γ (gamma) de haute énergie (2,6 MeV) par le Tl 208 formé dans les combustibles Th-U 233 recyclés pose de sérieux problèmes de radioprotection dans les installations de fabrication du combustible ; cet inconvénient est une des raisons qui ont fait préférer la filière uranium-plutonium (la raison principale étant qu’il fallait de toute façon amorcer une filière thorium avec le seul matériau fissile existant dans la nature, U 235). 

La filière thorium, contrairement à la filière uranium, ne peut donc pas se développer seule. 

Au cours des dernières années, la filière thorium a fait l’objet d’un nouvel examen, à la fois parce que cette filière produit beaucoup moins de transuraniens et parce que robotique et télémanipulation ont fait des progrès considérables, limitant peut-être les inconvénients liés au rayonnement γ (gamma). Les résultats de ces études peuvent être ainsi résumés : 

– La meilleure utilisation du thorium se trouve dans les réacteurs à neutrons thermiques à sels fondus, ce qui permet un inventaire réduit en matière fissile, favorable aussi bien au niveau des ressources que de celui des déchets (minimisation de la production de U 232 source du Tl 208, des pertes au retraitement, des conséquences de rejets accidentels, de la mise finale aux déchets) ; elle ne permet cependant pas de se passer de U 235 ou de Pu pour amorcer le cycle et n’élimine donc pas complètement les actinides mineurs ; 

– Un cycle Th-Pu dans un réacteur à neutrons rapides (critique ou sous-critique) permet de consommer deux fois plus de plutonium qu’un cycle U-Pu (grâce à l’absence de U 238) et de produire des quantités importantes de U 233 ; une fois amorcé, le cycle U 233-thorium peut être auto-entretenu ; 

– Un doute sérieux subsiste sur la possibilité d’utiliser U 233 fortement enrichi ; si un enrichissement supérieur à 20% était proscrit pour des raisons de non-prolifération, on retrouverait une quantité non négligeable d’actinides dans le cycle uranium-thorium ; 

– La radiotoxicité à long terme (1 000 ans et au-delà) des déchets est dominée par U 233 résiduel et par plusieurs radionucléides : Pa 231, U 232, U 234, Np 237. Dans la plupart des cas étudiés, les cycles uranium-thorium aboutissent, au-delà de 10 puissance 4 à 10 puissance 5 ans, du fait de la présence de U 233, à un inventaire de radiotoxicité qui peut être plus élevé que celui des cycles uranium-plutonium, à une époque où, toutefois, la radiotoxicité aura, dans tous les cas, fortement décru ; 

– Un réacteur rapide U 233-thorium serait un bon incinérateur d’actinides mineurs, mais le bénéfice du point de vue de l’inventaire de radiotoxicité des déchets enfouis ne serait pas significatif au-delà de 10 puissance 5 ans ; 

– En revanche, le dégagement de chaleur des actinides produits dans les cycles à base de thorium est beaucoup plus faible que dans les cycles à base d’uranium 

– il en résulte que le dimensionnement « thermique » du stockage n’est défini que par la puissance résiduelle des produits de fission, contrairement à la filière uranium-plutonium handicapée, au niveau des verres, durant les premières décennies, par des actinides à fort dégagement thermique (curium et, à un moindre degré, américium) ; 

– Une fois le thorium extrait de la mine, les descendants qui restent dans les résidus miniers décroissent très rapidement, au rythme de la période de 5,7 ans de leur tête de série, Ra 228 ; il s’ensuit que, contrairement à ce qui se passe avec l’extraction du minerai d’uranium, les résidus miniers du thorium ne posent pas de véritable problème à long terme. 

Les filières à base de thorium sont donc comparables aux filières à uranium en ce qui concerne les produits de fission et les quantités d’actinides à très long terme ; ils sont intéressants pour le dimensionnement « thermique » des stockages, mais présentent des inconvénients certains pour la fabrication des combustibles solides après retraitement (le problème est toutefois le même pour les cycles de « Gen. IV » avec recyclage intégral des actinides, puisqu’il faudra fabriquer de nouveau le combustible en passant aussi en téléopération). Leur principal intérêt réside dans l’augmentation des ressources ; intérêt à échéance lointaine si les filières uranium à spectre rapide se développent normalement, à échéance plus rapprochée dans le cas contraire. Sous certaines conditions, évoquées plus haut, ils permettraient de réduire fortement les quantités d’actinides mineurs et, de ce fait, de réduire la charge thermique des verres (durées d’entreposage d’attente et dimensionnement du stockage géologique). Dans un tel scénario, où l’on postulerait l’échec des filières à spectre rapide, le thorium ne peut trouver sa place que dans une filière à spectre thermique capable d’être auto-entretenue : la plus attrayante est la filière à sels de combustibles fondus.

 Le système nucléaire serait alors le suivant : 

– Un parc de réacteurs à eau produisant du plutonium ; 

– Un parc de réacteurs à sels fondus à neutrons thermiques, amorcés avec le plutonium produit dans les premiers. 

Les réacteurs à neutrons thermiques à sels de combustibles fondus apparaissent alors comme une alternative aux réacteurs à spectre rapide dans la perspective d’un développement durable du nucléaire. Avec comme conséquence la nécessité de mettre en oeuvre deux procédés de retraitement, l’un par voie aqueuse pour les réacteurs à eau, l’autre par voie pyrochimique pour les réacteurs à sels fondus. 

Les filières à base de thorium présentent donc des avantages certains et des inconvénients qui ne le sont pas moins. Il en résulte qu’il est peu probable qu’elles se développent pleinement tant que des besoins massifs en matériaux fertiles ne se feront pas sentir. 

Leur coût réel complet par rapport aux autres énergies y compris procédés de stockages dont les évolutions sont rapides, en plus des aspects environnementaux, risque également d’être un handicap. 

http://nucleaire.cea.fr/fr/nucleaire_futur/autres_voies.htm 

Le saut démographique mondial (7 milliards d’habitants en juin 2011, plus de 9 milliards à l’horizon 2050), couplé au fort développement des pays en voie de développement va se traduire par une augmentation de la consommation d’énergie mondiale estimée au double de la demande actuelle si les politiques en matière d‘économies d’énergies et d’efficacité énergétique ne sont pas plus volontaristes. 

Actuellement d’utilisations largement majoritaires, les ressources fossiles posent plusieurs problèmes: épuisement des réserves naturelles pour des applications généralement non recyclables (combustibles et souvent mauvais rendements) au dépens d’applications plus intéressantes, tensions géopolitiques qu’elles génèrent, impacts économiques et environnementaux tout comme participation au réchauffement climatique avec des émissions de gaz à effet de serre (dont environ 40 milliards de tonnes par an toujours en croissance pour le seul CO2) lourdes de nombreuses conséquences et bien trop élevées. Face à la demande, il s’agit désormais de réduire la part de ces énergies au profit de l’efficience énergétique, des nouvelles technologies de l’énergie, des énergies renouvelables et des alternatives les moins défavorables. 

S’il ne peut être écarté des options futures, un développement de la filière du nucléaire ne pourra pas reposer sur le modèle actuel. Il devra répondre aux exigences fortes de sécurité, de compétitivité énergétique, de meilleur rendement et d’un développement durable passant par une meilleure gestion des déchets radioactifs et des réserves naturelles. 

Des chercheurs tels que ceux du polygone scientifique de Grenoble (LPSC- Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie – CNRS) tentent donc d’imaginer les solutions possibles. 

Premier scénario : la continuité du développement des réacteurs à eau pressurisée (REP) actuels qui fonctionnent avec l’uranium enrichi comme combustible. 

Problème : « Cela n’est pas compatible avec un développement durable, commente Daniel Heuer physicien nucléaire. En effet, les réserves de vingt millions de tonnes d’uranium dans la nature seraient totalement épuisées en 40 à 70 ans » Par ailleurs, l’option REP génère des quantités très importantes de plutonium et de déchets radioactifs : les actinides mineurs (américium, curium et neptunium) très difficiles à recycler. 

Deuxième scénario : le développement de réacteurs à neutrons rapides (RNR)

« régénérateurs ou surgénérateurs » qui utilisent comme combustible le plutonium produit par les réacteurs à eau pressurisée. Avantage (et handicap) : il produit plus de matière fissile qu’il n’en consomme. S’il permet le recyclage du plutonium, il présente l’inconvénient majeur de le faire circuler en très grande quantité, ce qui rend la filière difficile à gérer. 

Comme les deux premiers scénarios ont leurs faiblesses, les chercheurs se sont penchés sur une nouvelle filière : les réacteurs à sels fondus (RSF) régénérateurs associés au cycle du thorium.

« Nous sommes partis sur l’idée simple, explique Jean-Marie Loiseaux physicien nucléaire, que la meilleure façon de gérer les déchets du nucléaire c’est d’en produire le moins possible » La filière du thorium a sur ce point un certain intérêt.

Les réacteurs à sels fondus utilisent, à la différence des autres, un combustible liquide. Comme il circule, il fait aussi office de « transporteur de chaleur». Il permet par ailleurs, sans qu’on ait besoin d’aller au cœur du réacteur, de récupérer directement tout au long du circuit les produits de fission qui l’empoisonnent. Ce combustible est un mélange de fluorures d’uranium 233, un isotope de l’uranium, et de thorium 232, un des deux noyaux fertiles (noyau potentiellement fissile qui rend possible la réaction nucléaire. Il n’existe qu’un noyau fissile dans la nature : l’isotope 235 de l’uranium et deux noyaux fertiles : l’isotope 238 de l’uranium et l’isotope 232 du thorium) présents dans la nature. L’uranium 233 qui n’existe pas à l’état naturel peut être remplacé pour le démarrage du réacteur par de l’uranium 235 ou du plutonium. 

Dans le premier cas, la mise en oeuvre est compliquée et peu efficace et dans le second, on produit énormément d’actinides mineurs radioactifs. 

La solution ? Produire l’uranium 233 à partir d’un REP utilisant partiellement du thorium au lieu de l’uranium. À Orsay, des chercheurs de l’Institut de physique nucléaire se consacrent tout particulièrement à l’étude de ce mode de production. Cette filière « réacteurs à sels fondus-thorium » présente trois avantages de taille. Tout d’abord, les RSF nécessitent dix fois moins de matière fissile pour démarrer que les RNR. Les actinides mineurs sont produits en quantité nettement moindre. Et enfin, les produits de fission et les actinides qui restent peuvent être retraités en continu. 

Forts de ces résultats, les chercheurs ont bâti un troisième scénario. Un seul REP au thorium fournit pendant sa durée de vie (40 ans) de quoi démarrer quatre réacteurs à sels fondus. Mais aussi du plutonium pour les RNR si cette filière est aussi retenue pour ses performances d’une utilisation complète et optimisée du plutonium. 

À quoi pourrait ressembler le nucléaire du futur selon ces chercheurs ? 

La solution serait donc de se diriger vers un parc hétérogène de réacteurs nucléaires complémentaires. « Ce scénario nous plaît bien, conclut Jean-Marie Loiseaux. On n’utilise que 10 à 20 % des réserves naturelles d’uranium et on recycle les déchets en les incinérant dans des réacteurs appropriés. De plus, cette filière est beaucoup plus facile à gérer. 

Parallèlement, les scientifiques cherchent à mettre au point les caractéristiques physiques des différents réacteurs. Peren, par exemple, une plate-forme installée au LPSC, est dédiée à la neutronique. Elle va permettre aux chercheurs de valider certaines données concernant les composants du RSF comme la mesure des propriétés de ralentissement des neutrons, l’extraction des produits de fission et le retraitement des déchets. Roger Brissot, responsable du groupe, insiste : « Notre groupe repose sur une indispensable complémentarité. Nous avançons grâce aux résultats à la fois des simulations et des expériences. C’est ainsi que nous avons établi que le RSF devrait être démarré à partir de l’uranium 233. C’est sur ce résultat que nous avons bâti le scénario d’utilisation de ce type de réacteurs qui, peu à peu, est accepté au niveau national et même européen. » En effet, dans le cadre d’un programme européen, le CNRS en collaboration avec EDF prévoit de réaliser un démonstrateur du RSF au thorium dans les quinze années à venir. Une recherche d’importance puisque ce réacteur est aussi l’un des six concepts retenus pour la génération IV (à l’initiative des États-Unis et prévue pour un déploiement à partir de 2030, la génération IV des réacteurs nucléaires est à l’étude. Six concepts ont été retenus : quatre reposent sur la technologie des RNR, un sur celle du réacteur HTR – non régénérateur, au plutonium – et un sur celle du RSF au thorium). « Si nous prêtons une attention particulière au thorium, commente Jean-Marie Loiseaux, nous tenons à conserver une expertise sur l’ensemble des solutions. » 

Et il ajoute : « Les choix énergétiques doivent être logiques et non dirigés par les seuls intérêts économiques des industriels du secteur. C’est la raison pour laquelle il est important qu’une recherche académique soit menée (au CNRS, les groupes de Physique des réacteurs du LPSC de Grenoble et de l’IPN d’Orsay travaillent en collaboration avec le département de Chimie sur les réacteurs du futur). Elle doit être le garant d’une transparence et d’une diffusion objective des connaissances. » Le nucléaire du futur et la filière du thorium figurent ainsi parmi les douze thèmes du programme Énergie du CNRS.