mardi , 26 septembre 2017

Une expérience sur le réacteur de thorium à sels fondus et quelques mythes sur les réacteurs au thorium

Une expérience aux Pays-Bas va tester la conception d’un réacteur de thorium à sels fondus. Au-delà de l’annonce, on en profite pour débunker quelques mythes autour du réacteur de thorium.


Une expérience sur le réacteur de thorium à sels fondus et quelques mythes sur les réacteurs au thorium
Un scientifique du NRG prépare le thorium pour le réacteur - Crédit : thoriumenergyworld.com
Ces derniers temps, on a eu de mauvaises nouvelles sur les alternatives aux énergies fossiles. Les États-Unis qui sortent de la COP21 et le manque de volonté politique de nombreux pays. Cependant, on pourrait avoir de bonnes nouvelles d’Europe sur de l’énergie basée sur le thorium.

Les scientifiques du Nuclear Research and Consultancy Group (NRG) à Petten aux Pays-Bas, ont commencé la première expérience de réacteur de thorium à sels fondus. Il n’y a que quelques endroits au monde où on peut effectuer ces tests. Avec cette expérience, l’Europe vient d’entrer dans la course à l’énergie de Thorium.

L’expérience SALt Irradiation ExperimeNT (SALIENT) a été préparée en collaboration avec l’European Commission Laboratory Joint Research Center-ITU et elle consiste en une série d’expériences avec des étapes successives plutôt qu’une seule exploration.

La première phase de SALIENT se concentrera sur la création d’un combustible de réacteur qui soit plus propre. On le fait en supprimant les métaux nobles du combustible de thorium lorsqu’il se transforme en uranium par l’intermédiaire de la fission. Dans la deuxième phase, les chercheurs espèrent tester la résilience des matériaux communs qui sont utilisés dans la construction des réacteurs de thorium à sels fondus ou Thorium Molten Salt Reactors (TMSR). Si les matériaux résistent bien à la corrosion et aux températures élevées, alors cela pourrait réduire les coûts de l’énergie nucléaire. On s’attend à ce que les phases futures testent de nouveaux matériaux qui ont montré un certain potentiel dans le passé. On peut citer le Hastelloy qui est un alliage de nickel et de TZM (titane-zirconium-molybdène).

Une expérience aux Pays-Bas va tester la conception d'un réacteur de thorium à sels fondus. Au-delà de l'annonce, on en profite pour débunker quelques mythes autour du réacteur de thorium.

Un réacteur de thorum – Crédit : thoriumenergyworld.com

Des résultats prometteurs à Petten permettraient au monde de se rapprocher de la commercialisation des réacteurs de thorium à sels fondus. Ces réacteurs sont considérés comme étant plus “sûrs” que les réacteurs actuels et ils ont une conception plus simple. Les TMSR réduisent légèrement le problème les déchets nucléaires durables.

À l’heure actuelle, seules la Chine, l’Inde et l’Indonésie travaillent sur les réacteurs de thorium à sels fondus. L’approche de la Chine implique une étape intermédiaire de l’exploitation d’un réacteur à lit refroidi aux sels fondus et l’Indonésie a manifesté son intérêt à travailler avec ThorCon pour tester un réacteur non alimenté à grande échelle avant de commencer ses opérations commerciales. L’Inde a quelques conceptions de réacteurs de thorium à sels fondus sur le papier, mais aucune ne reçoit beaucoup d’attention. Les scientifiques indiens s’intéressent davantage à un réacteur avancé à eau lourde alimenté par le thorium (Advanced Heavy Water Reactor) tandis le premier ministre indien envisage de conclure des contrats sur des réacteurs à eau légère (uranium) en provenance de Russie.

L’entreprise NRG avec SALIENT renforce la concurrence au niveau international pour être le premier à proposer un réacteur commercial alimenté au thorium. La concurrence permet de développer de nouveaux moyens et une meilleure efficacité. L’expérience de NRG permet à l’Europe d’être en tête dans la quête de l’énergie commerciale à base de thorium après des décennies de retard. Un succès à Petten pourrait inciter des pays comme l’Inde à accélérer le développement de leur technologie. Cela peut aussi booster les startups américaines qui ont des idées intéressantes, mais qui ont dû mal à obtenir des financements sans oublier les retards de la législation.

Les mythes sur le réacteur de thorium

Étant donné que l’uranium a très mauvaise réputation, on a eu énormément de mythes qui circulent sur le réacteur de thorium.1 Selon certains, l’énergie au thorium serait tellement intéressante qu’elle surpasserait la fusion nucléaire (cette dernière tient réellement toutes ses promesses par contre). Nous avons utilisé les informations du site Whatisnuclear dont les auteurs sont principalement des ingénieurs et des physiciens nucléaires pour clarifier les mythes autour du thorium.2

Les réacteurs de thorium à sels fondus ont été annulés parce qu’ils ne pouvaient pas faire de bombes nucléaires

C’est quasiment faux. Le réacteur de thorium peut faire des bombes et ce n’est pas ce qui a motivé son annulation au début du développement des réacteurs nucléaires. La conclusion à l’époque est que même si le réacteur de thorium pourrait être moins cher, on ignore ses performances sur le long terme.

De plus, l’industrie avait déjà investi énormément sur les réacteurs à eau légère, à très haute température et le réacteur rapide à métal liquide. L’industrie rechignait également à créer les services pour le cycle de combustible et la recherche en physique nucléaire s’était beaucoup concentrée sur les réacteurs à combustible solide. En gros, le monde avait trop investi sur les réacteurs à l’uranium pour tout jeter à la poubelle et choisir le thorium, car cela ne valait pas le coup. De plus, il y a une autre hypothèse pour laquelle les Américains auraient pu préférer l’uranium et le plutonium et on vous l’explique plus bas sur le résumé des armes nucléaires.

Les réacteurs de thorium n’ont pas besoin d’enrichissement

C’est mal comprendre le concept d’un réacteur à surgénérateur qu’il soit à base de thorium ou d’uranium. Le principe de ce type de réacteur est qu’ils vont surgénérer au fur et à mesure. Ils vont produire de la matière fissile égale ou supérieure par rapport à leur consommation de départ ce qui permet d’avoir une énergie en abondance sur le long terme.

Donc, on peut dire que ce n’est pas un vrai mythe, mais l’absence d’enrichissement est valable pour tous les types de réacteur surgénérateur. C’est même pour ça qu’on les a inventés. Toutefois, le réacteur de thorium peut utiliser la surgénération thermique. Cela signifie qu’on a besoin de beaucoup moins de matériaux fissiles au départ par rapport à un réacteur de surgénération rapide. Mais le réacteur rapide à métal liquide peut faire la même chose et donc, ce n’est pas exclusif au thorium.

Le réacteur de thorium ne peut pas produire de bombes nucléaires

C’est sans doute le mythe qui revient le plus souvent. Et c’est faux. Le thorium n’est pas un élément fissile contrairement à l’uranium, mais fertile. Déjà, il serait incorrect de dire que le thorium est un combustible “nucléaire”, car il ne l’est pas, mais on a tendance à utiliser le terme par commodité. Dans le réacteur, on va irradier le thorium avec des neutrons pour que le thorium se transforme en Uranium 233 qui est fissile. C’est cet uranium 233 qui va vous donner votre énergie. Sauf que l’Uranium 233 n’existe pas dans la nature, mais sachez que l’Uranium 233 est un excellent combustible pour une bombe (on vous l’explique plus bas dans notre résumé des armes nucléaires).3

La fission dans ce type de réacteur va produire plus d’uranium 233 que sa consommation et donc, on a une fission nucléaire autonome comme on l’a déjà mentionné. Mais les neutrons pour déclencher la première réaction, on les sort d’où ? Et bien, c’est là que ça se complique un peu. Vous avez besoin de matière fissile pour produire des neutrons dans un réacteur, donc de l’uranium 233, de l’uranium 235 ou du plutonium 239… C’est un détail que les partisans du thorium oublieront de vous dire qu’il vous faut obligatoirement de l’uranium ou du plutonium dans un réacteur de thorium, mais évidemment, la quantité est bien moindre.

Vous pouvez créer cette matière fissile dans un autre réacteur à combustion solide et c’est le cas de l’Inde avec son réacteur avancé à eau lourde. Toutefois, il faut aussi infirmer un autre mythe fréquent qui est que vous pourrez avoir une bombe dès que vous avez un réacteur nucléaire civil.

L’obtention d’un combustible pour une bombe est tellement compliquée dans n’importe quel réacteur nucléaire civil que c’est quasi impossible (avec l’uranium 235 et le plutonium). Mais étant donné que la prolifération des bombes est un problème sérieux, on va utiliser quand même le principe de précaution. Mais cette difficulté est réduit dans certaines conditions avec l’uranium 233 produit dans le réacteur de thorium.

Petit résumé sur les armes nucléaires

L’uranium est le seul élément qu’on trouve dans la nature qu’on peut utiliser comme un explosif nucléaire. Mais tous les types d’uranium ne peuvent pas faire de bombes. Vous ne pouvez pas utiliser l’uranium naturel (celui qu’on mine) ou l’uranium à faible enrichissement (c’est celui qu’on utilise comme le combustible dans la plupart des réacteurs nucléaires dans le monde). La raison est que ces éléments contiennent trop d’Uranium 238 (qui n’est pas un explosif nucléaire) et trop peu d’uranium 235 (qui est un explosif nucléaire).

L’enrichissement de l’uranium est un processus technologique pour augmenter la concentration de l’uranium 235 en séparant l’uranium 238. Le produit final est connu comme l’uranium enrichi qui contient une forte concentration d’uranium 235 par rapport à celui qu’on trouve dans l’uranium dans la nature. L’uranium 238, qu’on n’a pas besoin, est connu comme l’uranium appauvri parce qu’il contient moins d’uranium 235 par kilogrammes que celui dans l’uranium naturel (environ 0,7 %).

Si vous avez un uranium qui possède une concentration de 20 % d’uranium 235 ou plus, alors vous avez un Uranium Hautement Enrichi (HEU). L’HEU peut être utilisé comme un explosif nucléaire si vous en avez suffisamment. Les fabricants d’armes nucléaires préfèrent de l’HEU qui est enrichi à plus 90 %, soit de l’uranium qui possède 90 % d’uranium 235. Ce type de HEU est connu comme l’uranium de qualité militaire.

La plupart des réacteurs nucléaires commerciaux utilisent de l’Uranium faiblement enrichi (LEU) comme leur combustible. Le combustible LEU ne peut pas servir d’explosif nucléaire, car il contient trop d’uranium 238. Et c’est long et très difficile d’enrichir de l’uranium.

Le mécanisme de type "arme à feu" d'une bombe nucléaire à l'uranium 235

Le mécanisme de type “arme à feu” d’une bombe nucléaire à l’uranium 235

Mais une fois que vous avez de l’uranium de qualité militaire, alors la fabrication d’une bombe est très simple, car on utilise un mécanisme similaire à une arme à feu. 2 pièces de HEU qu’on va percuter ensemble très rapidement en utilisant une “balle” d’uranium dans une “cible” d’uranium. La bombe d’Hiroshima a été faite avec cette technique. Ce mécanisme est tellement simple qu’on n’a pas besoin de le tester. Les fabricants ont garanti qu’il marcherait dès la première tentative et Hiroshima est là pour nous le prouver…

Concernant le plutonium, il n’existe pas dans la nature, mais il est créé dans chaque réacteur qui utilise de l’uranium naturel ou de l’uranium faiblement enrichi. Certains des atomes de l’uranium 238 vont absorber des neutrons et ces atomes vont se transformer en atomes de plutonium. Le plutonium est un explosif plus puissant que l’uranium de qualité militaire. Pour obtenir du plutonium, vous avez besoin d’un processus d’extraction chimique qui nécessite de dissoudre du “combustible nucléaire utilisé” hautement radioactif dans de l’acide nitrique bouillant. Et comme vous pouvez l’imaginer, c’est très, très difficile de le faire. D’où notre répétition qu’il est très compliqué d’avoir du plutonium dans un réacteur nucléaire civil à moins que vous l’extrayiez en amont.

Le mécanisme de type "implosion" d'une bombe de plutonium

Le mécanisme de type “implosion” d’une bombe de plutonium

Contrairement au mécanisme d’arme à feu, la bombe au plutonium est plus complexe. Vous avez besoin d’un mécanisme d’implosion. Grossièrement, cela consiste à la détonation de charges d’explosifs conventionnels autour d’une sphère parfaite de plutonium. La bombe de Nagasaki était une bombe au plutonium. Tous les plutoniums produits par les réacteurs peuvent faire des bombes, mais les fabricants préfèrent du plutonium avec une forte concentration de plutonium 239 et un faible pourcentage de plutonium 240.

Vous vous dites surement : Quel est le rapport avec le réacteur de thorium ? Vous vous souvenez que le bombardement de neutrons sur le thorium produit de l’Uranium 233 ? Et bien, il s’avère que l’Uranium 233 est un Uranium de qualité militaire et qu’il est plus puissant que l’uranium 235. Et petit bonus, on peut l’utiliser avec le mécanisme ultra-simple de “l’arme à feu”. Cela signifie que l’uranium 233 n’a pas besoin d’être enrichi pour en faire une arme et son potentiel pour une bombe est immédiat. Il possède les avantages de l’uranium et du plutonium sans aucun de leurs inconvénients. Dans un article de 2012, le journaliste Oliver Tickell dans un article intitulé The Promise and Peril of Thorium estime que c’est la raison pour laquelle les États-Unis n’ont pas investi dans le thorium.4 Il faut se rappeler qu’à l’époque des premiers réacteurs, tous les pays voulaient les bombes nucléaires. Et donc, si vous avez déjà cette bombe, alors vous avez intérêt à ce que les autres ne puissent pas les fabriquer. L’intérêt de l’uranium 235 et du plutonium est qu’ils sont très difficiles à fabriquer et donc, la technologie ne serait dans les mains que quelques pays. Mais si le thorium s’était généralisé, alors tout le monde aurait pu mettre la main sur de l’uranium 233 prêt à l’emploi avec un risque plus grand de prolifération des armes nucléaires par rapport à ce que nous voyons aujourd’hui.

Toutefois, quand vous balancez des neutrons sur du thorium, vous avez également la production d’uranium 232 en plus de l’uranium 233. Et personne ne veut de l’uranium 232 même s’il peut être un explosif nucléaire. Le problème est que l’uranium 232 produit un rayonnement gamma très puissant qui peut endommager irrémédiablement les équipements électroniques. De ce fait, si votre uranium 233 est trop contaminé avec de l’uranium 232, alors ce sera difficile d’en faire une bombe. Mais ce que Tickell démontre qu’on peut éviter la contamination en séparant le protactinium 233 (Pa-233) en amont (ce dernier est produit juste avant l’uranium 233). En séparant le Pa-233, alors on obtiendra un Uranium 233 quasiment pur.

Donc, c’est un mensonge de dire que le réacteur de thorium ne peut pas faire de bombe nucléaire et en fait, c’est même le contraire.

Il y a plus de thorium que d’uranium sur Terre

C’est vrai, mais il faut nuancer. La concentration moyenne de thorium dans la croute terrestre est de 0,00060 % comparée au 0,00018 % de l’uranium. Mais on a également du thorium et de l’uranium dans l’océan. Pour un pourcentage par masse, on a 4×10-12% de thorium par rapport à 3.3×10-7 % d’uranium. En chiffres, cela nous donne 56 000 tonnes de thorium et 4,62 milliards de tonnes d’uranium. Cependant, l’exploitation de l’uranium en mer coute 4 fois plus cher et donc, ce n’est pas économiquement viable. Donc, ce mythe est vrai si on se base uniquement sur la concentration dans la croute terrestre.

Mais on doit prendre en compte la répartition des gisements. L’Inde ne possède aucun gisement d’uranium exploitable, mais elle est assise sur des tonnes de thorium. La Chine possède 50 % de thorium par rapport à l’uranium. Donc oui, le réacteur de thorium est très intéressant pour ces pays puisqu’ils n’ont pas besoin de faire d’aller chercher l’uranium à l’autre bout du monde en corrompant des gouvernements locaux au passage.

Mais encore une fois, la répartition n’est pas toujours équitable. Si on regarde ce graphique du MIT, on se rend compte que l’Europe ne possède pas beaucoup de Thorium.

Un graphique de la quantité de thorium par pays et par quantité

Un graphique de la quantité de thorium par pays et par quantité

Les sources donnent des chiffres très variables, car les gisements de thorium ne sont pas aussi bien étudié que d’autres minerais. Dans certains cas, on dit que c’est l’Inde qui possède les plus grandes réserves tandis que c’est l’Australie ou la Turquie dans d’autres cas. Les pays peuvent changer de place dans la liste, mais on retrouve les mêmes pays qui possèdent une quantité de thorium. L’Europe est quasiment absent à part pour le Groenland.5 Concernant la France, le pays possède environ 8 500 tonnes de thorium ce qui est équivalent à 190 ans en se basant sur une consommation de 489 Twh au niveau national (2012).6 C’est vraiment gigantesque, mais encore une fois, cela nécessitera pas mal d’investissement sur l’infrastructure sans oublier que tout cela se base sur le fait qu’on puisse commercialiser le réacteur à sels fondus de thorium.

Le thorium et l’uranium ne sont pas équivalents. L’uranium possède 2 états valence avec U4+ et U6+ et l’uranium est très soluble.7 Le thorium a un seul état valence Th4+ et il a une faible solubilité à faible et moyenne température. Cela a plusieurs conséquences tels que les concentration de thorium sont situé dans des gisements qu’on connait comme Placer et que les principaux gisements se trouvent dans des environnements magmatiques et hydrothermaux. De plus, l’extraction du thorium dans les minerais est beaucoup plus coûteuse que celle de l’uranium.

Les déchets du réacteur de Thorium ne durent que quelques siècles

On entend également ce mythe. Comparés au cycle de dégradation de l’uranium sur des milliers d’années, les déchets provenant du réacteur de thorium ne dureraient que quelques siècles. Il est vrai que le réacteur de thorium ne produit que quelques éléments transuraniens. Les éléments transuraniens comme le Neptunium, le Plutonium, l’Américium et le Curium sont les plus dangereux nucléides dans une période de 10 000 ans. Le problème est que des réacteurs à l’uranium comme les réacteurs à neutrons rapides produisent également peu d’éléments transuraniens. Donc, oui le réacteur à thorium produit moins de déchets nocifs sur le long terme, mais ce n’est pas le seul.

Attention, on ne néglige pas l’intérêt du réacteur de thorium, mais il n’est pas la solution idéale qui nous est proposée par certains acteurs de l’industrie. Et cette expérience aux Pays-Bas est assez intéressante, car elle concerne un réacteur de prochaine génération qui est moins nocif et moins gourmand que ce soit sur le combustible ou l’impact environnemental. Pour certains pays comme la Chine ou l’Inde, le thorium pourrait être une vraie alternative, car ils en ont une grande quantité devant leur porte, mais au niveau mondial, c’est plus compliqué.

La question est-ce que les réacteurs au thorium sont l’énergie du futur ? Ces dernières années, des Startups ont investi sur le thorium et comme tout startup qui respecte, la communication est plus importante que la réalité du terrain. L’énergie au thorium ne concerne pas seulement le fait d’avoir un réacteur plus sûr et plus propre. Cela implique aussi de nouveaux projets d’extraction de thorium et nous devons plutôt abandonner l’industrie de l’extraction puisqu’on a déjà l’uranium en très grande quantité. L’énergie idéale du futur devra être abondante, aussi propre que possible, abordable avec le minimum de dommages collatéraux. Et si on regarde les réalités de l’énergie au thorium, elle manque de nombreux de ces critères.

Sources

1.
Les réacteurs nucléaires au thorium : quels avantages ? | Techniques de l’ingénieur. Techniques de l’Ingénieur. https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/reacteurs-nucleaires-thorium-avantages-10261/. Published July 28, 2013. Accessed August 25, 2017.
2.
Touran N. Common Myths and Misconceptions about Thorium going ’round. whatisnuclear.com. https://whatisnuclear.com/articles/thorium_myths.html. Accessed August 25, 2017.
4.
The Promise and Peril of Thorium | WMD Junction. web.archive.org. https://web.archive.org/web/20131204232251/http://wmdjunction.com/121031_thorium_reactors.htm. Accessed August 26, 2017.
5.
Locations of Deposits. web.mit.edu. http://web.mit.edu/12.000/www/m2016/finalwebsite/solutions/deposits.html. Accessed August 26, 2017.
6.
La réserve française de thorium. Fission Liquide. https://fissionliquide.fr/2013/06/08/la-reserve-francaise-de-thorium/. Published June 8, 2013. Accessed August 26, 2017.
7.
– Int. Atomic Energy Agency I. World Thorium Deposits and Resources (THDEPO). infcis.iaea.org. https://infcis.iaea.org/thdepo/about.cshtml. Accessed August 26, 2017.
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A propos de Jacqueline Charpentier

mm
Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

2 commentaires

  1. Enfin un article bien documenté sur le thorium. En plus cela me laisse un espoir sur le fait qu’en Europe, dans 20 ans, on fabriquera des réacteurs à sels fondus de thorium et on ne sera pas dépendant de la Chine. Il faudrait insister que les réacteurs à sels fondus (fluorures et non sodium des surgénérateurs) sont auto stables en température qu’ils utilisent le thorium ou l’uranium ou plus probablement les deux, réacteurs de la générationIV. A ma connaissance des stocks de thorium sont aujourd’hui sur toutes les étagères du Monde car c’est un sous produit des terres rares, donc aucun problème d’extraction. A mon avis le gros intérêt du thorium est l’absence de déchets à longue vie et au contraire dans un premier temps il peut servir à “bruler” les stocks de plutonium en donnant qu’un minimum de déchets transuraniens. La sécurité elle est liée à la technologie des réacteurs à sels fondus. Comme il est dit dans l’article cette technologie nécessite des alliages résistant à la corrosion à haute température et donc la nécessité d’utiliser du nickel et/ou des alliages de nickel. C’est peut être ce point là qui ralentit le développement de cette technologie en Chine. Sachons profiter de cet avantage!

  2. Ne pas oublier que le nucléaire est avant tout dépendant du pétrole et que le thorium a tout à prouver à commencer par sa rentabilité…

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