Le thorium a-t-il le potentiel d'un combustible nucléaire alternatif ?

Introduction

Depuis les premiers jours du développement de l'énergie nucléaire, l'isotope 232 du thorium (²³²Th) étant plus abondant dans la nature que l'uranium, est considéré comme une alternative possible de l'uranium en tant que combustible nucléaire.

Ce rapport propose une évaluation scientifique du rôle possible, à court et à long terme, du thorium dans l'énergie nucléaire en tenant compte des diverses options, des avantages potentiels et des entraves actuelles, qui devraient être pris en considération si les développements des cycles de combustible du thorium devaient être poursuivis. Le rapport en conclut que l'utilisation du thorium dans le cycle du combustible nucléaire comme complément du cycle uranium / plutonium contribuerait à l'amélioration de la flexibilité à moyen terme de l'énergie nucléaire et à sa durabilité à long terme.

Le thorium est-il une alternative viable à l'uranium comme combustible nucléaire?

Sur le plan technique, le thorium est une alternative viable puisqu'il s'agit d'un matériau fissile efficace qui produit moins de déchets indésirables que l'uranium. Cependant, pour être utilisable à grande échelle, il nécessite de grandes quantités d'uranium-233, ce qui n'est possible actuellement qu'en utilisant du thorium associé à des combustibles uranium/ plutonium "traditionnels".

Du point de vue économique, étant donné que le cycle du thorium n'a pas encore été développé à l'échelle industrielle, il n'existe pas de données précises sur les coûts associés aux différentes étapes de ce cycle. Son développement à court et à moyen terme ne pourra se faire que de manière progressive et en synergie avec le cycle existant du combustible uranium/plutonium.

Quels sont les avantages du thorium en tant que source de combustible ?

En plus d'être plus abondant et donc de pouvoir maintenir une production d'énergie à plus long terme, le thorium présente des avantages spécifiques :

• le potentiel d’une plus grande partie du combustible utilisé de soutenir la réaction nucléaire en chaîne et donc moins de déchets produits pour la même quantité d'énergie générée;
• des températures de fusion des combustibles à base de thorium plus élevées, ce qui peut être déterminant en cas d'accident ;
• une production plus faible de plutonium ;
• de bonnes propriétés "neutroniques", en particulier la quantité et l’énergie des neutrons émis par les réactions de fission nucléaire.

Pourquoi le thorium n'est-il pas actuellement utilisé comme source d'énergie nucléaire ?

L'un des facteurs limitants à l'introduction complète du combustible de thorium est que le cycle du thorium doit être initié par des neutrons à haute énergie pour générer le premier isotope fissile (c'est-à-dire l'uranium 233 – ²³³U). Jusqu'à ce que la production des quantités requises de ²³³U puissent rendre le cycle du thorium autonome, toute application industrielle du thorium comme combustible nucléaire continuera donc à dépendre de neutrons issus du cycle existant d'uranium / plutonium, seuls capables actuellement de les produire.

En outre, pour pouvoir bénéficier de tous les avantages d'un cycle fermé et autonome du combustible de thorium / ²³³U, il faudra disposer de réacteurs dédiés (de génération IV ou au-delà) qui en sont encore en phase de conception et pourraient ne pas être opérationnels avant la fin de ce siècle. Le développement d'un cycle de thorium entièrement autonome nécessiterait également le développement de capacités de retraitement à l'échelle industrielle pour récupérer l’Uranium 233 à partir du combustible usé, ainsi que le développement d’installations de fabrication de combustible à partir de matériaux recyclés.

En ce qui concerne une utilisation militaire potentielle, les obstacles techniques à l'utilisation du cycle du thorium seraient semblables à ceux de l'utilisation de l'uranium enrichi à moins de 20%, comme c'est le cas dans le cycle du combustible uranium / plutonium. Un certain nombre de règlements régissant l'utilisation des matières radioactives et de leurs sous-produits ont limité le développement des combustibles de thorium à partir de l'utilisation d'uranium hautement enrichi dont l'utilisation est sévèrement limitée par les traités internationaux relatifs à la non-prolifération des armes nucléaires.

Quels défis doivent être relevés pour pouvoir utiliser le thorium dans les futurs systèmes d'énergie nucléaire ?

Trois objectifs principaux doivent être poursuivis pour permettre l'utilisation du thorium dans les futurs systèmes d'énergie nucléaire :

1. des améliorations continues à apporter dans la gestion des matières fissiles dans les cycles de conbustibles actuels et futurs qui peuvent créer des opportunités à court terme, bien qu’avec des degrés divers dans leurs avantages et inconvénients ;
2. des objectifs en matière de gestion ultime des déchets : les combustibles du thorium peuvent conduire à une production moindre d'actinides mineurs par unité d’énergie générée. Le thorium peut donc être utilisé comme une matrice inerte pour brûler du plutonium ou même dans un cycle de combustible au thorium conduisant à des flux de déchets ultimes moins chargés en actinides mineurs, du fait aussi que les combustibles au thorium permettent des cycles de combustions plus longs ;
3. l'atténuation des prélèvements de ressources naturelles et la pénurie d'uranium naturel: bien que cette pénurie n’apparaisse probablement pas à court terme, elle peut être envisageable à long terme (après 2050).

Qu'en est-il de la gestion des déchets de combustibles de thorium ?

Pour une quantité donnée d'énergie thermique produite dans le cœur d’un réacteur, la quantité de produits de fission est essentiellement la même avec les combustibles de thorium ou d'uranium. Mais l'utilisation du thorium comme combustible nucléaire est souvent associée à des avantages relatifs à la plus faible radio-activité et donc toxicité des déchets obtenus par rapport aux combustibles uranifères conventionnels.

Il ne faut toutefois pas négliger les très longues phases de transition qui devront utiliser les formes mixtes de combustibles avant qu’un cycle thorium / ²³³U complet puisse être réalisé (voir plus haut).

Un défi majeur associé au retraitement du thorium est que de l'uranium-232 est présent avec l'uranium-233, en est difficile à séparer et qu’il émet un rayonnement gamma hautement énergétique dont il est nécessaire de protéger les travailleurs.

Quels seraient les effets potentiels sur la santé et la sécurité de la technologie du thorium ?

La conception des futurs réacteurs et une méthodologie d'analyse de sécurité sont actuellement en cours d'élaboration et plusieurs facteurs limitants ont été identifiés dans le développement du nouveau concept de réacteur. Si la méthodologie utilisée (ISAM) a déjà identifié les points forts et les limites du concept du réacteur, les outils de calcul actuellement disponibles ne permettent pas d'évaluer avec le même niveau de précision tous les types d'accidents.

Le concassage et le broyage des minerais source de thorium libèrent du radon ²²⁰Rn, l'analogue du ²²²Rn issu de la chaîne de décomposition de l‘uranium, mais sa demi-vie courte (56 secondes) ne constituerait un danger que pour ceux se trouvant dans le voisinage immédiat. Cependant, ce risque de radon pourrait être accentué car sa concentration dans les minerais de bastnasite ou de monazite utilisés pour en extraire le thorium est plus élevée que dans d'autres minerais moins radioactifs et son inhalation représenterait toujours un risque sanitaire.

L'utilisation d'acides forts concentrés et de bases solides, ainsi que les systèmes de solvants d'extraction et les flux de déchets radioactifs représentent également un danger chimique significatif, quel que soit le schéma de traitement mais ce risque n’est pas attribuable au cycle de ce combustible nucléaire spécifique. Tous les flux de résidus raffinés quittant le système représentent encore des déchets radioactifs, même si leur activité spécifique est faible.

Un autre facteur important qui sera à considérer lors de la détermination des exigences de sécurité nécessaires à la manutention du combustible, déchargé des réacteurs de thorium et stocké pendant cinq ans, est le rayonnement gamma qu'il produira encore.