"Le thorium est-il une réponse pour fournir une énergie propre ?" par le Prof Peter Saunders

Rapport de l’ ISIS en date du 14/09/2011
La version originale, en anglais, avec toutes les références, s’intitule Thorium the Answer to Clean Energy ; ells est accessible par les membres de l’ISIS sur le site www.i-sis.org.uk/Thorium_the_answer_to_clean_energy.php
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Les Etats-Unis, le Royaume-Uni et de nombreux autres pays en Europe envisagent de construire de nouvelles flottes de réacteurs nucléaires. Ce sont des réacteurs à eau pressurisée (REP), comme ceux qui sont déjà en construction à Olkiluoto en Finlande et à Flamanville en France. Le combustible sera l’U-235, un isotope fissile de l’uranium. Plus de 99 pour cent de l’uranium naturel est de l’isotope non fissile U-238, donc avant qu’il puisse être utilisé, l’uranium doit être enrichi, c’est-à-dire traité pour augmenter la proportion de l’U-235.

Cela se fait habituellement en fabriquant de l’hexafluorure d’uranium, qui est un gaz, et en séparant les molécules des différents isotopes en utilisant soit des filtres, soit des centrifugeuses [1] (voir aussi [2] Energy Strategies in Global Warming : Is Nuclear Energy the Answer ? SiS 27).

Le processus est techniquement difficile et coûteux, ce qui explique pourquoi les puissances occidentales étaient si inquiètes quand elles ont appris que l’Iran voulait procéder au développement de ses propres capacités d’enrichissement. Pour les réacteurs à eau légère comme le REP, la proportion de l’U-235 est généralement augmentée, passant d’environ 0,72 pour cent de la masse d’uranium, à au moins 3 pour cent.

L’hexafluorure d’uranium enrichi est ensuite chimiquement transformé en poudre de dioxyde d’uranium qui est comprimé en pastilles, fritté sous forme de céramique, et chargé dans des tubes en alliage de zirconium. Ces tubes sont ensuite formés en barres de combustible.

L’uranium appauvri, c’est à dire ce qui est délaissé après le processus d’enrichissement, contient suffisamment d’U-235 qui est dangereux et qui nécessite un traitement spécial et son élimination. L’uranium appauvri est parfois utilisé pour fabriquer des armes anti-blindage à cause de sa haute densité. Et bien que les zones de guerre et de conflits armés ne soient pas bien adaptées pour y faire de la recherche, d’une part, et que les cancers peuvent prendre un certain temps pour se développer, d’autre part, il existe cependant des preuves solides selon lesquelles les minuscules particules, qui sont formées quand une enveloppe se fragmente, sont cancérigènes [3].

Il est connu depuis longtemps que le thorium, l’élément situé deux places en dessous de l’uranium dans le tableau périodique des éléments chimiques, peut également être utilisé comme combustible pour les réacteurs nucléaires. Le thorium ayant un seul isotope naturel, le Th-232, il n’y a donc pas de séparation isotopique à faire. Qui plus est, le Th-232 n’est pas fissile, de sorte que le minerai n’est pas dangereux pour les travaux dans la mine ni pendant les processus industriels.
Toutefois, si un atome de Th-232 absorbe un neutron et devient l’isotope Th-233, il émet deux électrons et devient alors fissile. La conversion peut se faire hors site et l’U-233 utilisé dans un réacteur classique et le Th-232 peuvent être utilisés conjointement avec l’U-235 ; mais il y a aussi des schémas dans lesquels le thorium est utilisé comme seul combustible et la conversion a alors lieu dans le réacteur lui-même.

Le réacteur au fluorure de thorium liquide, en anglais Liquid Fluoride Thorium Reactor (LIFTR, prononcer ‘lifter’)

Un réacteur au fluorure de thorium liquide (LIFTR, prononcé « lifter ») se compose de deux parties principales, un « noyau » entouré d’une « couverture ». Le noyau contient du tétrafluorure d’U-233 dans un sel de fluorure. La couverture contient du tétrafluorure de Th-232, également dans un sel de fluorure. Les deux sont conservés fondus par la chaleur du réacteur. Le cœur produit la sortie d’énergie et aussi des neutrons qui traversent la couverture et convertissent encore le thorium en U-233. L’uranium est ensuite chimiquement séparé du thorium non converti et transféré à la base pour produire plus d’énergie et d’autres neutrons [4].

L’avantage d’un carburant liquide, c’est qu’il est beaucoup plus facile d’en séparer les déchets produits. En particulier, le xénon, qui constitue un problème sérieux dans les réacteurs à combustible solide : juste des bulles dans la partie haute qui peuvent être évacuées. En conséquence, tout le thorium peut être utilisé, alors que, dans un réacteur classique, les barres de combustible doivent être supprimées lorsque seulement environ 5 pour cent de l’U-235 a été utilisé, parce qu’à ce moment là, les barres de combustible ont été dégradées. Les barres usagées sont hautement radioactives, parce qu’il y reste beaucoup de matière combustible.

L’ajout du thorium à la couverture, le transfert de l’uranium dans le cœur, ainsi que la suppression des déchets peuvent être réalisés d’une manière continue. Il n’est pas nécessaire de fermer à la base le réacteur au fluorure de thorium liquide.

Les déchets contiennent les mêmes produits qu’avec un réacteur à uranium, mais en quantités très différentes, et ils sont beaucoup moins dangereux. Ceci est en grande partie dû au fait qu’il faut plus de neutrons de capture pour produire les éléments transuraniens, comme le plutonium, à partir du thorium qu’à partir de l’uranium.

Un réacteur doit avoir un coefficient de réactivité thermique négatif, c’est-à-dire que s’il s’échauffe, la réaction doit être ralentie. Le réacteur de Tchernobyl n’en disposait pas, du moins pas en toutes circonstances : c’est ce qui a été un facteur majeur de son explosion. Les réacteurs à uranium modernes sont conçus pour s’assurer qu’ils le font toujours, mais il est particulièrement facile à organiser dans un réacteur au fluorure de thorium liquide, car lorsque le combustible devient plus chaud, il se dilate, ce qui réduit la zone effective d’absorption de neutrons.
Dans presque tous les réacteurs à uranium en usage commercial aujourd’hui, l’eau est le caloporteur et le modérateur. L’eau est maintenue à haute pression pour élever son point d’ébullition et le rendre plus efficace pour transporter la chaleur. Le liquide de refroidissement d’un réacteur au fluorure de thorium liquide est un sel de fluorure qui reste liquide jusqu’à 1.400° C à la pression atmosphérique. Ceci est bien au-dessus de la température de fonctionnement du réacteur, qui se situe à environ 800° C. En conséquence, un réacteur de fluorure de thorium liquide n’a pas besoin de la même tuyauterie très solide, ni de réservoirs sous pression et de bâtiments de confinement. Si une panne se produit, cela se manifestera par une fuite que l’on peut gérer, plutôt que par la libération explosive de matières radioactives.

Un réacteur au fluorure de thorium liquide est aussi facile à réaliser en toute sécurité, afin de pallier àla possibilité d’une panne totale, comme cela est arrivé à Fukushima. Cela se fait par un simple dispositif ayant un dispositif de refroidissement au fond du cœur. Le sel est maintenu en dessous de son point de fusion par un ventilateur électrique. Si le ventilateur s’arrête pour une raison quelconque, y compris bien sûr une panne totale de l’alimentation électrique, le sel fondu et le contenu du cœur se déversent dans un bassin dont la géométrie garantit que les réactions vont s’arrêter.

Dans les années 1960 aux États-Unis, l’Oak Ridge National Laboratory avait construit un réacteur expérimental à sels fondus. Il n’avait pas la couverture qui est nécessaire et qui existe dans le réacteur au fluorure de thorium liquide pour produire de l’U-233, mais il avait permis de tester beaucoup d’autres fonctionnalités au cours des cinq années pendant lesquelles il avait été opérationnel.[5]

Les résultats furent encourageants, mais à cette époque les Etats-Unis avaient décidé de se concentrer sur les réacteurs fonctionnant au dioxyde d’uranium. Le directeur des réacteurs de la marine, l’amiral Rickover, avait choisi ce type d’installation pour les sous-marins nucléaires, et le programme civil avait été en mesure de partager la recherche et l’élan qui en résultait. Dans le contexte de la guerre froide, le fait que les réacteurs à uranium produisent une quantité considérable de plutonium avait été considéré à l’époque comme un avantage, alors aujourd’hui, bien sûr, cela constitue un inconvénient en raison des risques et du danger de la prolifération des armes nucléaires.

En janvier 2011, l’Académie chinoise des sciences a annoncé un programme visant à développer ce qu’ils appellent les réacteurs à sels fondus [6]. L’objectif est de les avoir en exploitation dans 20 ans. En Occident, plusieurs entreprises privées sont en cours de planification pour des réacteurs au fluorure de thorium liquide LIFTR.

Des systèmes pilotés par un accélérateur de particules

Carlo Rubbia, lauréat du Prix Nobel et ancien directeur de l’établissement de physique nucléaire européenne du CERN, a proposé une méthode alternative pour la conversion du Th-232 en U-233 [7]. Un faisceau de protons, provenant d’un accélérateur de particules, impacte sur une cible de métal lourd, ce qui produit les neutrons nécessaires. La production d’énergie est proportionnelle à la force du faisceau de protons, en particulier si le faisceau est arrêté, le réacteur s’arrête.

Parce qu’ils utilisent du thorium, les systèmes pilotés par un accélérateur de particules, ont de nombreux avantages, comme les réacteurs au fluorure de thorium liquide. Ils peuvent être configurés pour utiliser de l’uranium appauvri par les réacteurs conventionnels, contribuant ainsi à réduire la quantité de déchets radioactifs qui doivent être éliminés par la suite.
Carlo Rubbia est maintenant en train de travailler avec AKER, une entreprise privée, pour développer le concept, qu’ils appellent l’Accelerator Driven Thorium Reactor (ADTR), le réacteur au thorium piloté par un accélérateur [8]. Ils prédisent que la mise en marché sera possible autour de 2030 et ils annoncent que le coût par unité d’électricité générée sera « extrêmement compétitif » avec les réacteurs nucléaires conventionnels, ainsi qu’avec les autres sources d’énergie.

Un avis contraire concernant l’usage du thorium

Il y a un an, au Royaume-Uni, l’organisme National Nuclear Laboratory (NNL) a publié une brève évaluation sur l’emploi du thorium comme source d’énergie nucléaire [9]. À leur avis, les avantages du thorium sont très exagérés. Par rapport aux réacteurs à uranium, ils ne constatent aucun avantage quant au coût. Ils soulignent que dans un pays comme le Royaume Uni, qui ne possède ni réserves de thorium, ni réserves d’uranium, le pays serait, de toutes façons, tributaire des importations.

Cet organisme britannique affirme que l’U-233 doit être considéré comme posant un risque de prolifération élevé, affirmant que tout l’U-238 qui serait ajouté pourrait être séparé par centrifugation. Les auteurs soutiennent qu’il n’y a que des gains modestes à attendre quant à la radiotoxicité, mais ils concèdent que le recyclage complet du thorium pourrait constituer une incitation « à long terme ».

Une critique est formulée à propos de l’utilisation du thorium dans les réacteurs conventionnels, parce qu’ils considèrent que la construction de nouveaux types d’installations, telles que les réacteurs à haute température et les systèmes pilotés par accélérateur de particules, ne seraient viables que dans le long terme, c’est-à-dire dans quarante ans ou plus.
Cette évaluation technologique mentionne brièvement le système piloté par un accélérateur de particules mais il ne dit rien sur le réacteur au fluorure de thorium liquide LIFTR.

Ironiquement, l’organisme National Nuclear Laboratory (NNL), mentionne comme une évidence la faiblesse de toutes les centrales nucléaires : les délais de réalisation sont si longs et les coûts de construction si grands, qu’une fois que nous avons décidé et pris une option sur une conception donnée, nous sommes enfermés dans ce système choisi pendant une très longue période, alors que les circonstances et les sources d’énergie alternatives peuvent changer, entre temps, du tout au tout.

Pour conclure

En lui-même, le thorium semble offrir une perspective bien meilleure que l’uranium. Il semble certainement être plus sûr, et on nous dit qu’il doit produire de l’électricité à peu près au même coût que les réacteurs à eau pressurisée (PWR), en gardant à l’esprit qu’il est déjà très difficile de travailler sur le coût réel des centrales nucléaires existantes, et a fortiori sur des centrales nucléaires qui n’ont pas encore été construites.

Dans cette mesure, c’est une bonne nouvelle d’apprendre que la Chine et l’Inde, tous deux engagés dans l’énergie nucléaire, prévoient d’utiliser le thorium, même si les réacteurs indiens ne vont pas utiliser le thorium seul. Et l’on pourrait souhaiter que nos propres gouvernements tournent leur regard vers le thorium, plutôt que d’être si fermement engagés dans les réacteurs à eau pressurisée conventionnels.

La vraie question est de savoir si nous avons vraiment besoin de l’énergie nucléaire. Le lobby nucléaire nous avertit constamment que si nous ne commençons pas à construire une nouvelle série de réacteurs nucléaires, les lumières vont s’éteindre dans toute l’Europe.

Il est certainement vrai que nous ne pouvons pas continuer à nous appuyer fortement sur les combustibles fossiles et être aussi voraces dans notre utilisation de l’énergie. Mais les énormes quantités de temps, d’efforts et de ressources, qu’il nous est demandé de consacrer à l’énergie nucléaire, seraient mieux dépensées dans les domaines de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables (voir [10] Green Energies - 100% renouvelable en 2050 , ISIS publication) *.
* Voir les versions en français d’une série d’articles sur le sujet :
* "Le pouvoir aux populations : 100% d’énergies renouvelables d’ici 2050" par le Dr. Mae-Wan Ho, traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://yonne.lautre.net/spip.php?article3756&lang=fr
* "100% d’énergies renouvelables en Allemagne d’ici 2050 : un exemple pour tous les pays industrialisés" par le Dr. Mae-Wan Ho & le Professeur Peter Saunders, traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://yonne.lautre.net/spip.php?article3770
* "La maîtrise du pouvoir vert - Green Power Rules" par Sam Burcher. Conférence de lancement du rapport ‘Green Energies - 100% Renewable by 2050’, traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://yonne.lautre.net/spip.php?article3850
* ‘Une croissance verte pour les pays en développement - Green Growth for Developing Nations’. D’après le Dr.Mae-Wan Ho, traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://www.i-sis.org.uk/greenGrowthForDevelopingNationsFR.php

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Définitions et compléments :

Traduction, définitions et compléments :

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
honoraire.
Adresse : 585 19 Chemin du Malpas 13940 Mollégès France
Courriel : jacques.hallard921@orange.fr
Fichier : ISIS Energie Thorium the Answer to Clean Energy ? French version.3 allégée