Cet article de blog examine si l'énergie nucléaire au thorium pourrait devenir une technologie énergétique alternative sûre, réduisant les risques liés aux réacteurs à uranium existants.
L'industrie nucléaire, qui exploite les réactions de fission de l'uranium, a continué de croître en privilégiant la « viabilité économique », même après les accidents de Three Mile Island et de Tchernobyl. Cependant, suite à l'accident de Fukushima au Japon, les préoccupations liées à la sûreté se sont accrues, entraînant un ralentissement de son développement. Des pays comme l'Allemagne et Taïwan ont même annoncé des politiques de sortie du nucléaire. Dans ce contexte, une technologie suscite un intérêt croissant : le réacteur au thorium, qui produit de l'électricité grâce à la fission nucléaire du thorium au lieu de l'uranium. Les réacteurs au thorium ont fait l'objet de recherches parallèlement aux réacteurs à uranium jusqu'aux débuts de l'ère nucléaire dans les années 1970, mais leur développement a été mis de côté en raison du contexte technologique et politico-économique de l'époque. Aujourd'hui, le déclin des réacteurs à uranium transforme les inconvénients des réacteurs au thorium en atouts, les remettant sur le devant de la scène. Examinons leurs principes, leurs caractéristiques, les raisons de ce regain d'intérêt et les méthodes de réalisation.
Les réacteurs au thorium diffèrent fondamentalement des réacteurs à uranium, à commencer par le combustible utilisé ; par conséquent, les réactions qui se produisent au cœur du réacteur sont également différentes. Tout le thorium naturel existe sous forme de thorium-232 (²³²Th), de nombre de masse 232. Lorsqu'un neutron percute un noyau de ²³²Th dans le réacteur, celui-ci l'absorbe et se transforme en ²³³Th. Ce matériau est très instable et se désintègre rapidement en ²³³Pa. Le ²³³Pa se désintègre ensuite lentement, avec une demi-vie d'environ 27 jours, en ²³³U. L'²³³U ainsi formé, de nombre de masse 233, subit une fission même avec des neutrons d'énergie relativement faible, à l'instar de l'²³⁵U utilisé dans les réacteurs à uranium. Les réacteurs au thorium produisent de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique générée lors de cette fission de l'²³³U.
Les réacteurs au thorium présentent plusieurs avantages par rapport aux réacteurs à uranium. Premièrement, les réserves mondiales de thorium sont quatre fois supérieures à celles d'uranium. De plus, alors que les réacteurs à uranium ne peuvent utiliser que l'uranium 235, présent en quantités infimes dans la nature, les réacteurs au thorium peuvent exploiter la totalité de sa forme naturelle, le thorium 232. Les réacteurs à uranium produisent des déchets radioactifs de haute activité, comme le plutonium, dont la toxicité persiste pendant des dizaines de milliers d'années, ce qui pose un problème majeur de gestion des déchets. En revanche, les réacteurs au thorium ne produisent pas de déchets radioactifs de haute activité. Les déchets radioactifs qu'ils génèrent perdent leur toxicité pour atteindre des niveaux comparables à ceux des mines de charbon classiques en quelques siècles.
La principale caractéristique des réacteurs au thorium est leur capacité à stopper automatiquement les réactions nucléaires lors d'accidents imprévus, comme la catastrophe de Fukushima. Dans les réacteurs à uranium, la réaction nucléaire se poursuit : les noyaux d'uranium qui absorbent des neutrons subissent une fission, libérant ainsi de nouveaux neutrons dans un cycle continu. C'est ce qu'on appelle une « réaction en chaîne ». En revanche, dans un réacteur au thorium, le nombre de neutrons produits est inférieur à celui initialement introduit. Autrement dit, à moins d'un apport extérieur de neutrons ou de la libération de nouveaux neutrons pendant la réaction, celle-ci s'arrête.
Il y a plusieurs décennies, lors des premières recherches sur les réacteurs au thorium, leurs caractéristiques – absence de production de déchets hautement radioactifs comme le plutonium et arrêt des réactions en l'absence d'apport de neutrons – étaient perçues comme des défauts rédhibitoires. Pendant la Guerre froide, la construction de centrales nucléaires visait notamment à obtenir des matières nucléaires comme le plutonium pour la fabrication d'armes nucléaires ; les réacteurs au thorium étaient alors bien loin de cet objectif. De plus, dans le contexte de cette époque, où l'efficacité était primordiale, les réacteurs au thorium – incapables d'entretenir leur propre réaction et sujets aux arrêts inopinés – étaient clairement considérés comme une technologie inférieure aux réacteurs à uranium. Cependant, il est apparu par la suite que l'avantage même des réacteurs à uranium – leur capacité à entretenir une réaction en chaîne auto-entretenue – pouvait se transformer en catastrophe en cas de perte de contrôle humain. L'accident de Tchernobyl en 1986 a exposé environ 5 millions de personnes en Russie et en Ukraine aux radiations, tandis que la catastrophe de Fukushima au Japon, il y a quelques années, a causé près de 800 décès et continue de menacer la sécurité de notre alimentation. En raison des dangers des réacteurs à uranium révélés au fil des décennies, le désavantage perçu des réacteurs au thorium est devenu un avantage : la « sécurité ».
Du point de vue de la sécurité, l'arrêt de la réaction en cas d'interruption de l'apport de neutrons constitue un avantage certain. Cependant, en conditions normales, le réacteur ne doit jamais s'arrêter. Deux méthodes principales ont été étudiées pour résoudre ce problème. La première consiste à utiliser un combustible mixte contenant à la fois du thorium et de l'uranium ou du plutonium, matériaux traditionnellement utilisés dans les réacteurs existants. L'uranium et le plutonium émettent plus de neutrons qu'ils n'en absorbent, ce qui permet d'entretenir facilement une réaction en chaîne. Ceci compense les neutrons perdus lors de la réaction nucléaire du thorium. Toutefois, cette approche présente des limitations intrinsèques. Bien que techniquement moins complexes, ces réacteurs ne sont pas de véritables réacteurs au thorium, mais plutôt un système de compromis, une solution intermédiaire entre les réacteurs uranium/plutonium existants et les réacteurs au thorium. Par conséquent, nombre des avantages inhérents aux réacteurs au thorium sont perdus. L'avantage de ne pas utiliser ni produire d'uranium et de plutonium n'est pas exploité. De plus, bien que l'intensité de la réaction en chaîne puisse être contrôlée en ajustant le rapport du mélange, la réaction nucléaire dans un réacteur mixte se poursuivra grâce aux neutrons libérés par cette réaction, même en cas d'accident. Autrement dit, cette méthode n'exploite pas pleinement les avantages d'un réacteur au thorium ; elle se contente d'utiliser du thorium qui, autrement, serait inutilisé.
La seconde méthode repose sur l'utilisation d'un accélérateur de protons. Dans ce procédé, des protons sont propulsés à haute vitesse pour entrer en collision avec des métaux comme le tungstène, produisant ainsi de grandes quantités de neutrons destinés aux réactions nucléaires. Un réacteur au thorium utilisant cette méthode est extrêmement sûr car, en cas d'accident et de coupure de l'alimentation de l'accélérateur de protons, la réaction nucléaire s'arrête progressivement. Proposée pour la première fois en 1995 par le physicien italien Carlo Rubbia, cette méthode est restée longtemps méconnue. Générer suffisamment de neutrons pour entretenir une réaction en chaîne stable requiert une énergie de sortie d'environ 1 GeV, ce qui exige une puissance considérable. La technologie actuelle peine à concevoir des accélérateurs efficaces, si bien que la puissance consommée pour leur fonctionnement est presque égale à celle produite par le réacteur lui-même. Le remède est alors pire que le mal. Par conséquent, le développement d'un accélérateur à haut rendement constitue un défi majeur pour cette approche. De plus, de par sa nature, cette méthode de fission nucléaire implique l'utilisation de neutrons extrêmement rapides. Lors des réactions de fission nucléaire déclenchées par des neutrons rapides, la quantité de cadmium produite par unité de masse est des dizaines de fois supérieure à celle produite par les réactions déclenchées par des neutrons lents. Le cadmium est un cancérogène de catégorie 1 et un métal hautement toxique pour l'homme.
Aujourd'hui, face à la crise que traverse l'industrie nucléaire, nous avons examiné les réacteurs au thorium comme une technologie alternative potentielle. Ces réacteurs, qui utilisent le thorium comme combustible nucléaire au lieu de l'uranium et dont le processus de réaction nucléaire est totalement différent, présentent des avantages par rapport aux réacteurs conventionnels. Cependant, d'importantes recherches restent nécessaires avant leur commercialisation. Les pays disposant d'abondantes réserves de thorium, tels que les États-Unis et l'Inde, sont à la pointe de la recherche sur les réacteurs au thorium. L'Inde, en particulier, s'efforce activement d'exporter ces réacteurs sous l'appellation de « réacteur à eau lourde avancé » (AHWR). À l'heure où non seulement l'énergie nucléaire, mais l'ensemble du secteur énergétique est en pleine transition, il est essentiel d'étudier sérieusement les réacteurs au thorium et d'y investir davantage de temps et d'efforts.
