Le thorium peut-il rivaliser avec l’uranium comme combustible nucléaire ?

L’i­dée d’u­ti­li­ser le tho­rium comme com­bus­tible nucléaire a été aban­don­née dans le pas­sé car, tra­di­tion­nel­le­ment, l’éner­gie nucléaire était liée à la recherche et au déve­lop­pe­ment du nucléaire mili­taire – et l’u­ra­nium comme le plu­to­nium per­met­taient la fabri­ca­tion de bombes ato­miques. Pour la pro­duc­tion d’éner­gie, le tho­rium pour­rait tou­te­fois pré­sen­ter de réels avan­tages et plu­sieurs pays inves­tissent dans cet élé­ment chi­mique (voir enca­dré). Ce métal pour­rait être uti­li­sé dans les réac­teurs à sels fon­dus, l’un des modèles de nou­velle géné­ra­tion dans lequel le liquide de refroi­dis­se­ment du réac­teur et le com­bus­tible lui-même sont un mélange de sels fon­dus chauds. Ces types de réac­teurs peuvent atteindre des tem­pé­ra­tures très éle­vées, ce qui aug­mente consi­dé­ra­ble­ment l’ef­fi­ca­ci­té de la pro­duc­tion d’électricité.

Le pro­blème, tou­te­fois, est que plus de 400 cen­trales nucléaires en ser­vice dans le monde uti­lisent prin­ci­pa­le­ment l’u­ra­nium (U) comme com­bus­tible. Bien que cet élé­ment soit abon­dant, moins de 1 % de l’uranium sur Terre est de l’U‑235, l’isotope d’uranium qui est fis­sile. Le reste est de l’U-238. L’U-235 conte­nu dans l’u­ra­nium doit donc être concen­tré puis enri­chi selon des pro­cé­dés com­plexes et coûteux.

Et ce n’est pas tout, la fis­sion de l’U-235 pro­duit des déchets hau­te­ment radio­ac­tifs qui doivent être mani­pu­lés avec soin, puis sto­ckés dans un endroit sûr pen­dant des périodes extrê­me­ment longues. Ces déchets contiennent éga­le­ment un type de plu­to­nium qui peut être exploi­té pour fabri­quer des armes nucléaires.

Le tho­rium (Th) a été décou­vert en 1828 par le chi­miste sué­dois Jons Jakob Ber­ze­lius, qui lui a don­né le nom de Thor, le dieu nor­dique du ton­nerre. C’est un métal légè­re­ment radio­ac­tif que l’on trouve dans les roches et les sols et qui est assez abon­dant dans la croûte ter­restre. En effet, son prin­ci­pal iso­tope, le Th-232, est envi­ron quatre fois plus abon­dant que l’U-238³ et aus­si abon­dant que le plomb. La quan­ti­té que l’on trouve aux États-Unis, par exemple, pour­rait répondre aux besoins éner­gé­tiques de ce pays pen­dant un mil­lier d’an­nées, et ce sans l’en­ri­chis­se­ment requis pour les com­bus­tibles à base d’uranium.

C’est le miné­ral phos­phate de terre rare, la mona­zite, qui contient le plus de tho­rium – jus­qu’à envi­ron 12% de phos­phate de tho­rium⁴. La mona­zite se trouve dans des roches ignées et autres roches et les res­sources mon­diales de mona­zite sont esti­mées à envi­ron 16 mil­lions de tonnes, dont 12 Mt dans des gise­ments de sables miné­raux lourds sur les côtes sud et est de l’Inde.

Le Th-232 pré­sente un inté­rêt pour la pro­duc­tion d’éner­gie nucléaire car il peut faci­le­ment absor­ber des neu­trons et se trans­for­mer en Th-233. Ce nou­vel iso­tope émet un élec­tron et un anti­neu­tri­no en quelques minutes pour deve­nir du pro­tac­ti­nium-233 (Pa-233). Cet iso­tope, quant à lui, se trans­forme en U‑233, qui est une excel­lente matière fis­sile. En effet, la fis­sion d’un noyau d’U-233 libère envi­ron la même quan­ti­té d’éner­gie (200 MeV) que celle de l’U-235.

Dans les réac­teurs conven­tion­nels, l’u­ra­nium est sto­cké dans des barres de com­bus­tible solides, qui sont refroi­dies par d’é­normes quan­ti­tés d’eau. Sans ce refroi­dis­se­ment, les barres fon­draient, libé­rant des radia­tions dan­ge­reuses. Le tho­rium subi­rait ses réac­tions dans un type de réac­teur tout autre, appe­lé réac­teur à sels fon­dus (ou MSR pour mol­ten salt reac­tor) qui contient un mélange de sels fluo­rés dans lequel le com­bus­tible nucléaire est fon­du. Ce type de réac­teur n’a pas besoin d’être construit à proxi­mi­té d’un cours d’eau, puisque les sels fon­dus eux-mêmes servent de liquide de refroidissement.

Les réac­teurs peuvent de ce fait être ins­tal­lés dans des régions éloi­gnées des côtes et même arides. Ces réac­teurs ne peuvent donc pas non plus « fondre » au sens clas­sique du terme et, en cas d’ur­gence, le com­bus­tible peut être rapi­de­ment éva­cué du réac­teur. Les MSRs déployant du tho­rium sont éga­le­ment plus sûrs car ils fonc­tionnent à des pres­sions proches de la pres­sion atmosphérique.

Comme l’u­ra­nium, le tho­rium absorbe aus­si les neu­trons, comme nous l’a­vons men­tion­né, mais contrai­re­ment à l’u­ra­nium, il ne libère pas davan­tage de neu­trons pour per­pé­tuer la réac­tion nucléaire en chaîne. Cette réac­tion com­mence lors­qu’un atome d’u­ra­nium est frap­pé par un neu­tron, libé­rant de l’éner­gie qui entraîne l’é­jec­tion d’autres neu­trons des atomes d’u­ra­nium, relan­çant le cycle. En rédui­sant la quan­ti­té de neu­trons injec­tés dans le com­bus­tible, c’est le tho­rium lui-même qui limite la vitesse de la réac­tion nucléaire.

L’u­ti­li­sa­tion du tho­rium comme nou­velle source d’éner­gie pri­maire est une pers­pec­tive sédui­sante depuis de nom­breuses années, mais l’ex­trac­tion de sa valeur éner­gé­tique latente d’une manière ren­table est un défi. Le déve­lop­pe­ment de nou­velles cen­trales nucléaires ali­men­tées au tho­rium néces­si­te­ra donc d’im­por­tants tra­vaux de recherche et déve­lop­pe­ment, ain­si que des essais – des démarches qui pour­raient être dif­fi­ciles à jus­ti­fier étant don­né que l’u­ra­nium est rela­ti­ve­ment bon mar­ché et abondant.

Autre incon­vé­nient : le tho­rium est « fer­tile » et non fis­sile, de sorte qu’il ne peut être uti­li­sé comme com­bus­tible qu’en asso­cia­tion avec une matière fis­sile, telle que le plu­to­nium recy­clé, en tant que conduc­teur afin de main­te­nir une réac­tion en chaîne (et donc une réserve de neu­trons excédentaires).

L’U-233 pro­duit à la fin du cycle est éga­le­ment dif­fi­cile à mani­pu­ler, car il contient des traces d’U-232, qui émet acti­ve­ment des rayons gam­ma. Si cer­tains cher­cheurs sou­tiennent l’u­ti­li­sa­tion du tho­rium comme com­bus­tible parce que ses déchets sont plus dif­fi­ci­le­ment à trans­for­mer en armes ato­miques que ceux de l’u­ra­nium, d’autres affirment que des risques sub­sistent⁵.

Le bon côté des choses, c’est qu’il y a glo­ba­le­ment moins de plu­to­nium pro­duit pen­dant le fonc­tion­ne­ment du réac­teur. À tel point que cer­tains scien­ti­fiques affirment que les réac­teurs au tho­rium pour­raient même contri­buer à épui­ser les tonnes de plu­to­nium qui nous avons créées et sto­ckées depuis les années 1950.