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Le nucléaire au thorium: une « vieille » solution pour l’avenir ?

Ce billet est la suite de mon billet Une petite histoire de l’énergie nucléaire. Donc, à lire en guise d’introduction sur les différentes filières nucléaires.

Mais avant de parler du thorium-232 en détail, juste un petit rappel sur les éléments chimiques et leurs isotopes. Le numéro cité après l’élément considéré (232 dans le cas du thorium) s’appelle le nombre de masse et représente le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau (les nucléons). Donc plus le nombre de masse est grand, plus l’élément est lourd. Ainsi, l’uranium-238 possède 3 neutrons de plus que l’uranium-235 et chaque « variété » d’un même élément s’appelle un isotope. A ce jour, 117 éléments ont été découverts  pour 2 934 isotopes. Certains sont explosifs, d’autres corrosifs ou encore inoffensifs. Tous les éléments dont nous sommes familiers (oxygene-16, fer-56, carbone-12, etc.) sont stables dans le temps mais beaucoup d’autres sont instables et donc radioactifs avec des durées de demi-vie variables, de quelques millisecondes à des millions d’années, tout dépend du nombre de protons et de neutrons dans le noyau!

 Le thorium

Le thorium, est un métal lourd radioactif de la même famille que l’uranium (actinide). Il possède 90 protons dans son noyau (contre 92 pour l’uranium) et a une demi-vie radioactive très longue de 14 milliards d’années, soit plus de 3 fois l’âge du système solaire. Sa présence sur Terre est estimée entre 3 et 4 fois plus abondante que l’uranium et est plutôt bien réparti. En France, il y a des gisements en Bretagne et AREVA, le CEA et Rhodia ont déjà 8 500 tonnes de thorium  stockées sur leur étagère via l’extraction d’autres minerais. Selon cette source, une tonne de thorium permettrait en gros de générer 10 TWh d’électricité donc la France a déjà assez de thorium pour subvenir à environ 190 ans d’électricité avec sa consommation actuelle !

Couverture de Science & Vie en Novembre 2011 : Le Nucléaire sans uranium c’est possible. Plus sûr, plus propre… et pourtant ignoré depuis 50ans.

Le forum pour la 4ième génération

La quantité d’uranium dans le monde permettrait de continuer à faire tourner des centrales pour 200 ans environ avec notre production actuelle mais bien entendu, si la production nucléaire augmente (ce qui est hautement probable avec des pays comme la Chine et l’Inde dans la course), ce sera beaucoup moins, les pronostics donnent la fin de l’uranium pour la fin du siècle et nos enfants sont donc concernés !! C’est entre autre pour cette raison qu’un forum nommé « Génération IV » a vu le jour entre 14 pays pour choisir une solution de 4ième génération pour le nucléaire. Aujourd’hui, le réacteur EPR en construction à Flamanville en Normandie fait partie de la 3ieme génération mais appartient toujours à la filière de réacteur à eau pressurisée (REP) et on ne peut pas dire que ce soit une réussite pour l’instant…. Bref, ce forum étudie ainsi 6 nouvelles filières prometteuses pourl’avenir nucléaire: https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_40486/technology-systems.

Dans ces 6 propositions, il y en a une qui mérite notre attention et qui serait à mon avis la seule solution vraiment intéressante pour des raisons de sûreté et de déchets : Les réacteurs à sels fondus au Thorium.

Les réacteurs à sels fondus

Dans ce type de réacteur, le combustible est liquide et sert également de caloporteur. On mélange des éléments fissibles ou fertiles dans des sels fondus et on fait circuler le tout dans le réacteur ou une réaction en chaine peut se produire et générer beaucoup de chaleur suite à la fission de certains éléments. Il y a ensuite 2 grandes variantes de ce type de réacteurs

  • Les réacteurs à neutrons thermiques où un modérateur comme le graphite est indispensable pour ralentir les neutrons et contrôler la réaction en chaine.
  • Les réacteurs à neutrons rapides où aucun modérateur n’est nécessaire. Dans ce cas, ces réacteurs peuvent fonctionner en surgénérateurs, c’est-à-dire qu’ils peuvent produire plus d’éléments fissibles qu’ils n’en consomment en utilisant un élément fertile à la base comme le thorium-232, c’est-à-dire que cet élément peut produire un élément fissible en absorbant un neutron dans son noyau.

Schéma d’un réacteur à sels fondus.

Pour cette raison, un réacteur chargé uniquement avec du thorium ne peut pas démarrer. Pour initier la première fission avec un élement fertile comme du thorium, il faut un élément fissible comme de l’uranium ou du plutonium en quantité non négligeable (plusieurs tonnes pour réacteur de 1 GW) et une fois que c’est partie, le réacteur tourne en cycle fermé jusqu’à consommer pratiquement tous les éléments fissibles qui sont recyclés en son sein. C’est pour cette raison qu’un réacteur de ce type produit beaucoup moins de déchets nucléaires fissibles comme le plutonium et les transuraniens vu qu’il les consomme et surtout il permettrait de nous débarrasser de certains déchets embêtants dont nous ne savons que faire aujourd’hui. A titre d’information, après 70 ans de nucléaire, il y a 500 tonnes (déclarés) de plutonium dans le monde.  On peut d’ailleurs voir ce type de réacteur comme un incinérateur à déchets nucléaires qui a en plus l’avantage de pouvoir faire de l’électricité !

Les premiers à se pencher sur la question du réacteur à sels fondus furent les Américains du Laboratoire National d’Oak Ridge (ORNL) avec le fameux Alvin Weinberg, l’ancien directeur du laboratoire pendant le projet Manhattan. Le réacteur à sel fondu expérimental MSRE fonctionna entre 1965 et 1969, d’abord avec de l’uarium-235 puis avec l’uranium-233 et du plutonium la dernière année, prouvant alors la faisabilité et la viabilité d’un tel concept mais en 1973 le gouvernement américain coupe tous les budgets pour la filière des réacteurs à sels fondus et leur utilisation potentiel avec du thorium pour se concentrer sur la filière uranium exclusivement, plus en phase avec le côté militaire.

Voici un dessin pour vous donner une petite idée de la différence entre un réacteur à sels fondus au thorium et un réacteur à eau pressurisé « standard » à l’uranium. On comprend tout de suite l’intérêt de la chose en matière de quantité de minerai et de déchets.

Comparaison entre combustibles et déchets pour 2 réacteurs de 1 GW utilisant de l’uranium et de l’eau pressurisée en haut et un réacteur à sels fondus au thorium en bas (Source).

Les avantages de cette technologie sur les autres filières nucléaires sont les suivants:

  • Pérennité: Les ressources en thorium sur la Terre sont abondantes, on estime à 30 000 ans notre autonomie.
  • Sûreté: Pas d’emballement du réacteur possible comme Tchernobyl.
  • Sûreté: Combustibles liquides évitant le risque de dégradation et d’explosion des bâtiments comme à Fukushima. Ces explosions sont dues à l’hydrogène dégagé par le zirconium des crayons d’uranium actuels.
  • Sûreté: Pas de haute pression et donc moins de risque (circuit à 1 bar contre 155 bars).
  • Sûreté: En cas de panne de refroidissement : on peut vidanger de liquide dans une cuve isolée sous le réacteur à travers un « bouchon froid » qui fond en cas de panne électrique et éviter une catastrophe comme à Fukushima.
  • Déchets: 10 000 fois moins de déchets à vie longue (transuraniens comme plutonium).
  • Prolifération: Beaucoup plus difficile de faire une bombe atomique à partir de cette filière (mais pas impossible).

Néanmoins, il y a des inconvénients :

  • Démarrage: Il faut un élément fissible comme de l’uranium ou du plutonium au début pour initier la réaction en chaine (mais ce peut être un avantage pour se débarrasser de notre plutonium stocké).
  • Déchets : Il y a beaucoup moins de déchets à vie longue mais cette filière génère tout de même des déchets de fission qu’il faudra gérer sur des centaines d’années ainsi que du protactinium 231 (période : 33 000 ans).
  • Recherche: pour aboutir à un réacteur industriel, beaucoup de recherches sont encore à faire comme cette filière a été abandonnée dans les années 60. Daniel Heuer, directeur de recherche au CNRS de Grenoble et travaillant sur un tel réacteur estime qu’entre 10 et 15 ans de développement sont nécessaires et que si une filière thorium est choisie en 2040, il faudra attendre 2070 pour la voir sur le marché (source).

Au regard de ces avantages indéniables, les Chinois et les Indiens travaillent actuellement sur ce sujet très intéressant pour eux étant donné leurs réserves en thorium importantes comparées aux réserves en uranium mais la route sera encore longue. Il faut déjà qu’ils se réapproprient les connaissances qu’ont accumulé les Américains jusque dans les années 70 avant d’aller plus loin.

Quelques autres alternatives nucléaires

En 1993, Carlo Rubbia, prix Nobel de physique travaillant au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) propose d’utiliser un accélérateur de particules pour démarrer la réaction en chaine dans un réacteur sous-critique (comme un réacteur au thorium) et éviter ainsi la consommation d’uranium ou de plutonium pour démarrer et entretenir la réaction en chaine. On parle alors de réacteur nucléaire piloté par accélérateur (ADS). Ce projet est prometteur mais l’investissement en termes de recherche et d’infrastructures pour un tel réacteur parait actuellement peu envisageable pour l’étape industrielle.

Encore mieux que le réacteur à sels fondus au thorium : le réacteur à fusion thermonucléaire. Dans ce type de réacteur, plus de fission mais de la fusion et donc plus d’éléments lourds hautement radioactifs. Le combustible est quasi-infini (deutérium et tritium), il n’y a aucun déchets radioactif à vie longue (quelques déchets gérables sur une centaine d’années) et aucun risque d’emballement du réacteur (pas de réaction en chaine comme avec la fission). Beaucoup de recherches dans le monde vont dans ce sens comme le fameux projet international ITER en cours de construction à Cadarache dans le sud de la France qui sera une expérience scientifique de fusion nucléaire pour démontrer que cette voie est possible pour l’avenir. Mais ici, les spécialistes parlent d’une industrialisation possible pour la fin du siècle seulement car c’est une machine extrêmement complexe qu’il faut développer mais même s’il faut 100 ans de recherche et de développement pour voir des réacteurs à fusion dans le monde, ça vaut le coup, non, pour sauver la planète ? Vous pouvez lire ici un article sur ITER que j’ai fait il y a 10 ans. Aujourd’hui, c’est en construction et la première réaction de fusion est attendue pour 2025.

Construction du bâtiment principal qui hébergera ITER (photo personnelle prise en Octobre 2016).

Sources:

Une petite histoire de l’énergie nucléaire

Si vous pensiez que l’humanité s’est dite un jour « nous allons investir massivement pour faire de l’énergie d’origine nucléaire de la meilleure manière possible » eh bien vous vous trompiez. Le nucléaire « civil » comme on l’appelle, n’a été qu’une sorte d’opportunité pour servir la fabrication de bombes atomiques. Sans bombe atomique et sans propulsion nucléaire pour les sous-marins militaires, il n’y aurait sans doute pas eu de nucléaire civil tel qu’il est aujourd’hui…

Tout a donc commencé pendant la seconde guerre mondiale avec le programme de nucléaire militaire américain pour fabriquer la première bombe Atomique : le projet Manhattan. Une fois que les politiques et que les militaires ont compris le potentiel de destruction de la bombe atomique, tout est allé très vite… trop vite peut être…

Le tout début

Nos centrales nucléaires actuelles utilisent l’énergie de fission des noyaux atomiques qui a été décrit correctement la première fois à Berlin fin 1938 par Otto Hahn et Fritz Strassmann (voir ce billet sur l’énergie nucléaire de fission et de fusion). Dès 1939, en France, Fréderic Joliot-Curie publie avec 3 autres scientifiques un article dans la prestigieuse revue Nature expliquant le phénomène de réaction en chaine de l’uranium et dépose même un brevet le mois suivant sur les possibilités énergétiques et militaires d’un tel phénomène. Mais avec l’arrivé de la guerre, toutes les recherches françaises sur ce domaine sont stoppées en mai 1940.

Aux Etats-Unis, Le président Roosevelt est averti dès 1939 d’une possibilité de bombe atomique par une fameuse lettre en partie signée par un fameux Albert Einstein (qui d’ailleurs avouera plus tard regretter cette lettre). Le projet Manhattan est alors lancé en 1942 et on connait la suite avec son triste aboutissement en 1945 à Hiroshima et Nagasaki. Les USA ont pour cela dépensé l’équivalent de 25 milliards de dollars d’aujourd’hui en seulement 3 ans (imaginez qu’aujourd’hui, le plus grand projet scientifique mondial comme l’accélérateur de particules LHC de 27 km au CERN a coûté 9 milliards de dollars au total avec ses expériences répartis sur des dizaines d’années et une vingtaine de pays et plus de 600 instituts scientifiques de 113 pays). Bref, ce projet de bombe atomique complètement fou a été possible en partie grâce à la mise au point de réacteurs nucléaires permettant de transformer de l’uranium-238 en Plutonium-239, indispensable pour faire une bombe atomique efficace comme Fat Boy larguée sur Nagasaki (celle d’Hiroshima était constitués d’uranium enrichi et présentait à ce titre plusieurs inconvénients). Le premier réacteur nucléaire a ainsi vu le jour en 1942 avec le célèbre Enrico Fermi à Chicago et fonctionnait donc à l’uranium vu que l’objectif n’était pas de faire de l’électricité mais bien produire du plutonium pour la bombe atomique.

Chicago Pile-1 : dessin du premier réacteur nucléaire artificiel construit par Enrico Fermi en 1942 dans le cadre du projet Manhattan.

Du militaire au civil

Après la guerre, les scientifiques et industriels se sont donc intéressés à la possibilité d’utiliser l’énergie nucléaire dans un réacteur pour produire de l’électricité étant donné la gigantesque énergie dégagée sous forme de chaleur lors de la fission nucléaire. L’intérêt du rendement du nucléaire est vite compris : la fission de 1 g d’uranium-235 correspond à 1,6 tonne de fuel ou à 2,8 tonnes de charbon en terme énergétique.

Contrairement à ce que la plupart des gens pensent, ce sont les Russes qui ont les premiers fabriqué et mis en opération un réacteur nucléaire civil raccordé au réseau électrique en 1954 (d’une puissance modeste de 5 MW). Les Français, les Anglais et les Américains inaugureront leurs centrales nucléaires électriques dans les 2 ou 3 années suivantes avec Marcoule en France (7 MW), Sellafield en Grande-Bretagne (50 MW) et Shippingport aux Etats-Unis  (60 MW) en 1957, soit 12 ans après la bombe atomique !!

Mais la guerre froide se profile entre les USA et l’URSS et la course à l’armement nucléaire va nécessiter de grandes quantités d’uranium et de plutonium. Une stratégie commune entre applications militaires et civiles a vite été trouvée et promue par les gouvernements ! Le nucléaire civile va alors battre son plein dans plusieurs pays jusqu’à 1979 qui voit le premier accident « sérieux » de Three Mile Island aux Etats-Unis : le réacteur s’emballe et la moitié de ce dernier fond. La catastrophe est évitée de toute justesse mais 200 000 personnes ont dû évacuer la zone autour de la centrale. A partir de cette date, l’opinion publique aux USA et dans le reste du monde commence à comprendre que cette énergie qui paraissait parfaite peut être dangereuse et le nucléaire civil prend un virage clé dans son histoire. Mais la progression a ensuite repris et c’est bien sûr 7 ans plus tard avec l’accident de Tchernobyl en 1986 que le monde réalise alors vraiment le danger et la progression du nucléaire dans le monde est stoppée nette.

Evolution du parc nucléaire dans le monde (source : AIEA). On voir clairement l’impact de Three Mile Island (1979) et Tchernobyl (1986) qui stoppe la progression du nucléaire.

Les filières nucléaires

Les 4 premiers réacteurs industriels destinés à fabriquer de l’électricité en URSS, en France, en Grande-Bretagne et aux Etats-Unis sont tous basés sur le même combustible : l’uranium. Logique vu que ce sont des réacteurs de ce type qui peuvent produire du plutonium-239 permettant de faire des bombes atomiques…

En fait, pour faire un réacteur nucléaire, les scientifiques ont l’embarra du choix sur les technologies à utiliser : on parle alors de « filière » qui dépend de 3 ingrédients principaux:

  • Le combustible:
    • de l’uranium
    • du thorium
  • Le caloporteur (fluide pour transporter la chaleur) :
    • de l’eau pressurisée
    • de l’eau bouillante
    • du gaz (comme du CO2 ou de l’hélium)
    • du sodium
    • des sels fondus
  • Le modérateur (élément permettant de ralentir les neutrons et permettre une réaction en chaine) :
    • de l’eau ordinaire
    • de l’eau lourde
    • du graphite
    • aucun dans le cas de réacteur à neutrons rapides.

Avec un peu de mathématique de base, on peut ainsi dénombrer ici 2x5x4 = 40 grands types de réacteurs différents (sans compter les centaines de petites variantes possibles). Il faut alors faire un choix mais pas n’importe lequel car quand on s’embarque dans une filière, difficile de faire machine arrière. En effet, l’énergie nucléaire n’est pas à la portée de tout le monde et est très difficile à mettre en place. Si on considère l’argent, le temps, la recherche, les technologies, la politique, l’écologie et la sûreté qui doivent être mis en place à l’échelle d’un pays entier, le choix de la filière est extrêmement important. Sauf que si on considère la question militaire en même temps, le choix devient beaucoup plus simple… Et dans ce cas, les questions d’écologie et de sûreté sont reléguées derrière la priorité militaire…

C’est en partie pourquoi tous les réacteurs nucléaires dans le monde utilisent de l’uranium comme combustible de base et 63 % sont des « REP » : Réacteurs à Eau Pressurisée qui présentent en plus l’avantage d’être plutôt compacts en utilisant de l’eau ordinaire et donc parfaitement adapté pour propulser un sous-marin qui a de l’eau facilement à disposition ! Sur les 438 réacteurs nucléaires dans le monde en fonctionnement aujourd’hui, voici la répartition :

  • 279 à eau pressurisée (REP) dont font partie Three Mile Island et Fukushima,
  • 78 à eau bouillante (REB),
  • 49 à eau lourde pressurisée (PWHR),
  • 15 refroidis au gaz (GCR),
  • 15 à l’eau et au graphite (RMBK) dont fait partie Tchernobyl,
  • 2 réacteurs à neutrons rapides (RNR) pour études scientifiques.

Et vous constaterez qu’il y en a zéro utilisant du thorium avec des sels fondus comme caloporteur alors que ce type de réacteur avait été pressenti par tous les spécialistes dans les années 60 comme la meilleure solution pour produire de l’électricité en termes de déchets et en termes de sûreté (comme Alvin Weinberg, l’ancien directeur du laboratoire américain d’Oak Ridge ayant participé au projet Manhattan). Mais un réacteur à base de thorium ne produit pas de plutonium pour fabriquer des bombes et c’est bien là tout le problème de notre histoire, mais il n’est peut-être pas trop tard !

La suite dans le prochain billet pour plus de précisions sur les réacteurs à sels fondus utilisant du thorium qui pourraient être une meilleure solution dans l’avenir.