Un réacteur nucléaire au thorium, késako ?

La piste explorée est d’utiliser le thorium dans des réacteurs à sels fondus (RSF). Au lieu d’être solide comme dans les réacteurs français actuels, le combustible y est liquide. La matière fissile est mélangée à un sel fondu. Cette piste est explorée par le projet européen SAMOFAR qui regroupe une dizaine de laboratoire publics européens, dont le CNRS. Il développe le concept MSFR qui utilise un fluorure de lithium, associé à du thorium. La Chine, les Etats-Unis et le Canada soutiennent d’autres projets pour développer des réacteurs nucléaire à sels fondus (RSF). La France n’est néanmoins pas très impliquée. EDF et Areva cherchent avant tout à rentabiliser les infrastructures industrielles de la filière uranium. Le CEA mise surtout ses cartes sur un prototype de surgénérateur au sodium (Astrid).

Le thorium est un élément chimique qui serait quatre fois plus répandu que l’uranium (U) sur Terre. On le trouve presque toujours dans les gisements de minerais d’uranium, de terres rares ou dans des formations granitiques. Ses ressources sont plutôt bien réparties sur la planète.

Obtenir un combustible fissile avec du thorium

Les réacteurs nucléaires nécessitent un combustible pour fonctionner ! Celui-ci peut être fissile : il contient des atomes dont les noyaux se fractionnent sous l’action d’un neutron. Ou être fertile : frappé par un neutron, le noyau l’absorbe. Il donne alors un nouveau noyau qui est fissile. A l’état naturel, on trouve l’U-235 qui est fissile, l’U-238 et le thorium 232 qui sont fertiles.

Lorsqu’un noyau lourd se fissionne, il se brise en deux nouveaux éléments plus légers : les produits de fission (Cesium 135, Iodine 131, Strontium 90…). Mais lorsqu’un noyau absorbe un neutron, il se transforme en un nouvel élément plus lourd, désigné sous le nom d’« actinide mineur ».

Les principaux atomes fissiles utilisés dans la filière nucléaire sont l’U-233, l’U-235, le plutonium 239 et le plutonium 241. L’ensemble du parc nucléaire français actuel recoure à la technologie de réacteurs à eau pressurisée (REP). Elle utilise l’U-238 enrichi en U-235 comme combustible. Dans un RSF, les noyaux de thorium 232 bombardés par des neutrons se transforment d’abord en Protactinium 233, puis en U-233 fissile.

Quelles différences entre un REP et un RSF ?

Dans un REP, il y a deux circuits d’eau pour extraire la chaleur issue de la réaction nucléaire. Le circuit primaire va extraire la chaleur depuis le cœur du réacteur. Un échangeur de chaleur la transfère ensuite du circuit primaire à l’eau du circuit secondaire. La température du réacteur tourne autour des 300°C, sous une pression de 155 bars, pour maintenir l’eau du circuit primaire à l’état liquide. Dans un RSF, la température du coeur monte à 750°C, mais le sel fondu reste à la pression atmosphérique. Le même liquide circule dans le cœur du réacteur et dans le circuit primaire. Le sel combustible circule directement dans les échangeurs de chaleur pour transmettre la chaleur à l’eau du circuit secondaire.

Le RSF est un surgénérateur :  il génère plus d’U-233 qu’il n’en consomme. Une fois amorcé, il ne dépend pas d’autres réacteurs pour lui fournir la matière fissile. Mais puisqu’il n’existe pas à l’état naturel, il faut le fabriquer pour démarrer le réacteur. C’est l’étape la plus compliquée. Soit la totalité de l’U-233 nécessaire au démarrage est fabriquée dans un REP par irradiation de thorium. Soit une partie de cet U-233 est produite de la même façon et associée à un mix d’U-235 ou de plutonium et d’actinides mineurs extraits des REP. Dans ce dernier cas, du thorium est injecté progressivement pour former l’U-233 grâce aux neutrons libérés par les réactions nucléaires précédentes.

Le RSF aurait une puissance d’environ 1000 mégawatts électriques, contre 900 MW pour un REP et 1650 MW pour l’EPR. Précisons que l’U-233 est fortement irradiant. Son utilisation nécessiterait des blindages plus performants pour respecter les règles de radioprotection lors de certaines étapes de préparation, de transport, de manipulation des combustibles ou de retraitement du combustible usé.

Moins de déchets radioactifs

Dans tout réacteur, deux types de déchets sont produits : les produits de fission et les actinides mineurs. Ce sont les actinides mineurs qui posent le plus problème, à cause de leur grande durée de vie.

Dans les REP qui sont des réacteurs dits à neutrons lents, les actinides mineurs ne sont pas fissionnés. Ils sont vitrifiés avec les produits de fission dans des conteneurs en inox. Ils attendent d’être entreposés en couche géologique profonde, certainement à Cigéo. Les actinides mineurs principalement produits par cette technologie sont le Neptunium-237 (période de 2,15 millions d’années), l’Américium (période de 432 ans) et le Curium-244 (période de 18 ans).

Mais la fission des actinides mineurs est possible dans un réacteur à neutrons rapides. Ce qui est le cas des RSF. Dans un REP, les barres de combustible restent dans le coeur du réacteur environ 4 ans, avant d’être retirées.  Mais un RSF n’a pas besoin de pause pour recharger le combustible ; les produits de fission sont retirés en continu. Ce traitement permet aussi de réinjecter les actinides mineurs et extraire l’U-233 produit en excès. Les actinides sont donc réinjectés dans le coeur du réacteur jusqu’à ce qu’ils fissionnent. Un RSF pourrait donc « brûler » le plutonium militaire entassé, les actinides mineurs issus des REP et non vitrifiés.

Les produits de fission ne sont plus radiotoxiques au bout de 350 ans. Le projet européen MSFR permettrait ainsi une réduction de  80% du volume des déchets par rapport aux réacteurs actuels. Mais il n’y a pas de solution miracle ! Même avec le thorium, il resterait toujours un très faible pourcentage d’actinides mineurs à stocker, n’ayant pu être séparés des produits de fission. Le thorium produit par exemple le protactinium 231 dont la durée de demi-vie est de 33 000 ans.

Une sécurité accrue pour les RSF

Avec un réacteur au thorium, les catastrophes de Tchernobyl ou de Fukushima n’auraient pas eu lieu.  Le point d’ébulition des sels fondus est supérieur à 1800°C et ils ne peuvent donc pas se vaporiser dans l’atmosphère. Le RSF n’est pas sous pression : dans tous les cas, les produits radioactifs restent dans le sel fondu. Ils se solidifient quand la température passe sous les 600°C. Si du sel combustible s’échappait de la cuve, il se solidifierait donc et ne pourrait pas former de nuage radioactif. Les sels fondus sont stables, ils ne réagissent ni avec l’air, ni avec l’eau. Enfin, plus la température du coeur monte, plus le sel se dilate, et plus la réaction en chaîne s’affaiblit. Il n’y a donc pas d’emballement possible.

Les partisans du thorium précisent que cette technologie est assez flexible pour compenser l’intermittence de la production éolienne et solaire.  En jouant sur la température du réacteur, il est possible de contrôler la réaction en chaîne. Il pourrait ainsi doubler sa puissance en quelques minutes et la réduire tout aussi rapidement.

Par Matthieu Combe, journaliste scientifique