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Décryptage

Un réacteur nucléaire au thorium, késako ?

Posté le par Pierre Thouverez dans Énergie

Jacques Cheminade et Nicolas Dupont-Aignan, candidats à l'élection présidentielle, veulent développer des réacteurs nucléaires à sels fondus fonctionnant au thorium. Nicolas Dupont-Aignan propose notamment un plan de développement de la filière thorium sur 25 à 30 ans qui prendra le relais de la filière uranium à l’horizon 2050. Mais quelle est cette technologie ?

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

Pour aller plus loin

Posté le par Pierre Thouverez

Les derniers commentaires

  • Il y aurait une solution pour se débarrasser des déchets nucléaires d’actinides mineurs restant dans la filière thorium, alors peu nombreux :
    – de les envoyer avec des torpilles guidées dans les zones de subduction du manteau planétaire, au niveau de la faille et de l’importante couche de vase que l’on sait devoir prochainement bouger pour disparaitre sous nos continents grâce à la tectonique des plaques !

  • En effet, la filière des réacteurs à sels fondus est l’avenir du nucléaire.

    La France prend la mauvaise voie, et va, encore comme d’habitude, avoir un temps de retard, en choisissant la mauvaise filière avec nos futurs surgénérateurs refroidi au sodium, qui peuvent, par réaction en chaîne nucléaire, suite à une fusion local, être le siège d’excursions nucléaires successives, c’est à dire exploser à la façon des bombes atomiques ( rien a voir avec Chernobyl et Fukushima qui ont été seulement des explosions du liquide de refroidissement par son augmentation de pression causé par la fusion du coeur ). Sauf qu’à la différence d’une bombe nucléaire, les atomes de plutonium et d’uranium ne fissionneront pas tous, ce qui en résultera la projection d’une multitude fragmentations de plutonium/uranium dispersé à plusieurs kilomètres à la ronde qui continueront de fissionner une fois éparpillées émettant leurs rayonnement gama dans le proche voisinage de la population.
    La zone contaminer s’étendrait à plusieurs dizaines de Km, des milliers de personnes ayant respirées les plus petits radioéléments volatiles seront assurées de mourrir assez rapidement et des dizaines de milliers d’autres les jours suivants ou suite à un cancer. Un énorme territoire de la grandeur d’un département sera condamné pour des milliers d’années, une perte considérable pour la France dont le coût sera inestimable.
    De plus, le sodium (liquide servant à refroidir le réacteur) comporte 2 inconvénients majeurs, il est hautemant inflammable au contact de l’air et explosif au contact de l’eau. Cela augmente les risques d’accidents, comme il en a déjà été le cas de nombreuses fois avec ces centrales de ce type, à cause de fuites du sodium créant des incendies.
    Une excursions nucléaires suite à une fusion du coeur serait Fukushima puissance 10.

    Voir les inquiétants surgénérateurs refroidis au sodium :
    https://www.dissident-media.org/infonucleaire/surgenerateur.html

    L’objectif Française est de recycler et consommer le maximum de déchets nucléaires, et la solution  pour cela sont les surgénérateurs.
    Par contre il existe plusieurs type de surgénérateurs et ceux qui sont refroidis au sel fondu présentent l’avantage d’être sûrs; ce qui n’est de loin pas le cas de ceux qui sont refroidis au sodium.
    Les réacteurs à sels fondus feront aussi bien le recyclage des déchets nucléaires que les réacteurs au sodium et avec une bien meilleur sécurité.
    De plus par la suite ils pourront être utiliser pour fonctionner avec du thorium.

    Nous devons donc nous lancer dans l’étude et l’expérimentation des réacteurs à sels fondus, qui en plus ne nous oblige pas d’utilisé dans un premier temps du thorium.
    Les projets des réacteurs au sodium sont perte de temps, d’argents, fonts prendre de trops grands risques inutiles à la population et génèrent la monté des antinucléaires avec des arguments mieux fondés.

    Il existe de nouvelles conceptions dérivées prometteuses à sels fondus : 
    Réacteur à sels stables
    https://fr.m.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_%C3%A0_sels_stables
    Réacteur intégral à sels fondus
    https://fr.m.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_int%C3%A9gral_%C3%A0_sels_fondus


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